清华大学俞立团队揭示迁移体核心工作机制：实现信号分子定点释放
清华大学俞立团队揭示迁移体核心工作机制：实现信号分子定点释放
2024年6月，清华大学俞立教授团队在《细胞研究》（Cell Research）发表重要研究成果，揭示了迁移体（migrasome）这一新型细胞器的核心工作机制。研究发现，迁移体能够整合空间、时间和特定化学信号，实现信号分子的定点释放，为理解细胞迁移过程中的信号传递提供了全新视角。
2013年诺贝尔生理学或医学奖授予Randy W. Schekman，James E. Rothman，Thomas C. Südhof，以表彰他们发现细胞内部囊泡运输调控机制。三位获奖者的研究成果揭示了细胞如何在准确的时间将特定的物质传输至准确的位置，神经细胞通过马达蛋白将含有神经递质的分泌囊泡运输到轴突末梢，并在SNARE等蛋白的介导下完成信号的定点释放。而一直未解的问题是：这种高度的定点分泌机制是否只存在于神经细胞？是否有新型细胞器介导信号定点释放？
迁移体（migrasome）是清华大学俞立实验室发现并命名的一种新型细胞器。通过透射电镜发现迁移体时，研究者就同时发现其内含有数量不一，直径在30-150 nm的小囊泡，看起来像一只开口的石榴，因此最初也把迁移体戏称为石榴体（pomegranate-like structure，PLS)。而这种“大泡包小泡”的结构，也是迁移体的一种独特的经典标志（图1）。但是这也成了迁移体的一大未解之谜：迁移体内部的小囊泡是什么？这些囊泡是如何进入迁移体的？它们有何功能？目前基于迁移体所携带“货物”，迁移体所处环境以及生物学模型，课题组将迁移体功能分为：细胞内线粒体稳态维持；细胞间mRNA转运；斑马鱼胚胎发育；鸡胚血管新生。研究者认为迁移体的最重要的功能是整合时间、空间和特定化学信号，这也是迁移体在器官形态发生以及血管生成等生理过程起到重要调控作用的核心。然而，调控这些信号分子在迁移体中的积累机制一直不明确。
图1 石榴体（pomegranate-like structure，PLS)Liang Ma et al., Cell Research, 2014
从2014年首次报道石榴体这样的结构，经过近10年的探索研究，俞立教授于2024年6月25日在Cell Research发表文章Localized, highly efficient secretion of signaling proteins by migrasomes，揭示了迁移体内小囊泡的来源，形成机制以及生物学功能。
迁移体作为一种新型细胞器，在面对其内部完全未知的囊泡时，研究者从多种途径与研究手段入手。首先是基于透射电镜结果，研究者发现收缩丝与迁移体内存在明显的微丝结构（actin filaments）。并且小囊泡在进入迁移体前就特异性且有序地富集在收缩丝基部，这些现象指示了某种机制介导了这种“熵减”的现象——依赖微丝的马达蛋白（Myosin）。经过一系列筛选，研究者鉴定到Myosin5a高度富集在收缩丝与迁移体上，并且可以很好的标记到迁移体内小囊泡。更有意思的是，Myosin5a所标记的囊泡在进入收缩丝前就特异性富集在细胞尾部，而非随机无序地分布在细胞边缘（图2）。进过一系列鉴定，研究者进一步证明Myosin5a参与调控囊泡进入迁移体内。
图2 Myosin5a高度富集在迁移体内，并标记迁移体内囊泡
接下来，研究者一方面通过对纯化的迁移体进行定量质谱分析，发现其内部富集了大量经典分泌囊泡的相关蛋白（Rabs，SNAREs等）。经过一系列筛选鉴定，发现迁移体内小囊泡主要是反面高尔基（TGN）来源的组成型分泌囊泡（Rab8a标记），以及由recycling endosome来源的调控型分泌囊泡（Rab11a标记）。并且Myosin5a介导了这些分泌囊泡进入到迁移体内。研究者进一步鉴定到VAMP2与VAMP3可以作为v-SNARE标记迁移体内的分泌囊泡（图3）。
图3 迁移体内囊泡主要是经典分泌囊泡
另一方面，研究者通过大量电镜观察发现一个规律：迁移体与细胞胞体距离越大，其体积越大而其内部囊泡数量越少。并且分泌囊泡的相关蛋白（Rabs，v-SNAREs）也是更明显定位在细胞近端的收缩丝与迁移体内，而远端的信号则相对微弱。结合迁移体的形成过程，研究者有了一个假设：迁移体在形成并变大时，其内部小囊泡可能与迁移体膜发生了融合。为了证实分泌囊泡确实可以在迁移体内与其发生膜融合，研究者对VMAP2标记囊泡进行高分辨实时观察，发现在迁移体形成初期，囊泡会从收缩丝上逐渐汇聚到迁移体内，而这些囊泡会随着迁移体长大逐渐发生膜融合过程（Video 1）。
研究者同时发现与囊泡v-SNARE相对应的t-SNARE（syntaxin4 与SNAP23）会高度富集在迁移体膜上。而钙离子在SNARE蛋白介导的囊泡融合中起到关键调控作用，研究者通过Fluo-8指示钙离子的浓度发现，一部分迁移体在形成时，Fluo-8信号不断增加，这说明迁移体内钙离子浓度的持续性升高（Video 2）。而使用钙离子螯合剂（BAPTA-AM）抑制了钙离子或者敲低了迁移体上的t-SNARE后，迁移体内的囊泡则会明显堆积。这些结果说明了囊泡会在钙离子与SNARE蛋白介导下与迁移体膜发生融合。
综合以上数据，研究者进一步意识到迁移体与神经细胞轴突末梢的高度相似性。那么神经细胞可以通过分泌囊泡将神经递质打包到突触进行定点释放，迁移细胞是否也可以通过迁移体将特异性信号进行定点释放？为了验证该假设，研究者使用分泌旺盛且产生大量迁移体的细胞L929作为研究对象，鉴定到M-CSF与CCL2这两种经典的细胞因子会以分泌囊泡形式进入迁移体，并在迁移体内完成释放。综上研究者在迁移细胞中发现了，含有信号分子的分泌囊泡会在Myosin5a介导下特异性富集在细胞尾部并进入迁移体内，随后在钙离子与SNARE蛋白介导下与迁移体膜融合完成信号的定点释放（图4）。
图4 迁移体整合空间、时间和特定货物的定点信号
前面的结果已经部分展示了，运输囊泡的马达蛋白，介导囊泡融合的钙离子以及SNARE蛋白在迁移体内是高度富集的。那么迁移体是否是一个介导细胞分泌的“热点”？这种迁移体介导的定点释放机制在迁移细胞的分泌中是否是重要的呢？研究者首先对细胞的分泌进行了定量分析，发现细胞的迁移或者迁移体的产生可以明显调控信号分子的分泌，但不影响细胞内信号分子的表达。研究者进一步使用BAPTA-AM抑制了膜融合，并对迁移细胞的3D扫描成像进行定量分析，发现迁移体内信号分子明显堆积，而细胞内信号分子则无明显升高。这进一步说明了迁移体不仅可以发生信号定点释放，更是一个介导细胞分泌的“热点”，是迁移细胞的一种重要分泌模式。
接下来，研究者对细胞不迁移静止以及迁移并产生迁移体这两种状态进行分析，发现细胞在不迁移静止状态时，分泌囊泡会被随机的运输到细胞边缘，并与细胞膜发生融合完成分泌过程（Stationary secretion mode）。当细胞进入迁移并产生迁移体状态时，分泌囊泡会表现出高度的极性分布，特异性地富集在细胞尾部并进入迁移体内，并与迁移体膜发生融合完成分泌过程（Migrasome-mediated secretion mode）（Video 3）。相比于静止状态，细胞通过迁移将分泌小泡极性分布并打包到迁移体内，实现了一种更加高效的分泌模式（图5）。
图5 新型的细胞分泌模式——Migrasome-mediated secretion mode
综上，这项研究一方面是首次报道了一种非神经细胞的信号打包与定点释放机制，这也是迁移体整合空间、时间和特定化学信号功能的核心机制，为迁移体在各种生理病理中发挥信号的打包与定点释放提供了一个范式。另一方面该研究报道了一种新型的细胞分泌模式——Migration dependent secretion。细胞在不迁移静止状态时，分泌囊泡会被随机的运输到细胞边缘，并与细胞膜发生融合完成分泌过程（Stationary secretion mode）。当细胞进入迁移状态时，分泌囊泡会表现出高度的极性分布，特异性地富集在细胞尾部并进入迁移体内，并与迁移体膜发生融合完成分泌过程（Migrasome-mediated secretion mode）。迁移体不仅可以发生信号定点释放，更是迁移细胞的一种重要分泌模式。最后，该研究也是证实了迁移体不同于其他细胞外囊泡，当迁移体通过收缩丝与细胞胞体保持联通时，其作为一个介导分泌囊泡定点释放的细胞器；当收缩丝断裂迁移体与细胞胞体完全独立时，迁移体以细胞外囊泡的方式发挥功能。而在该研究中鉴定到的一系列调控分泌囊泡的蛋白，更是迁移体区别于其他已知的细胞外囊泡（例如Exosome，Microparticle等）的重要Maker。
最后值得一提的是，迁移体所携带的“货物”决定了其发挥的生物学功能。而迁移细胞在不同条件下会将特异性的“货物”选择性地运输到细胞尾部收缩丝的基部，这是迁移体发挥生物学功能的核心。从“熵增熵减”理论考虑，细胞内“货物”在无外界干扰下，会趋于更加随机无序的“熵赠”状态；想要“货物”进入一个特异有序的“熵减”状态就要消耗外界能量，而细胞通过消耗大量ATP代价下，将特异性的“货物”运送至细胞尾部与迁移体内，会有它的目的性，进化不会开这样的玩笑。例如在线粒体刺激下，受损的线粒体会在KIF5b等马达蛋白的介导下被特异性运输到细胞尾部并进入迁移体内，从而维持细胞内线粒体的稳态——Mitocytosis。而在一般条件下，分泌囊泡会在Myosin5a介导下被特异性运送至细胞尾部并进入迁移体内，从而完成高效的信号定点释放功能——Packaged release and localized secretion。这是研究迁移体生物学功能的一个范式，也是迁移体在各种生理病理中发挥功能的基础（图7）。
图7 迁移体 “货物”的选择与生物学功能
清华大学生命科学学院俞立教授与焦海峰博士为本文的通讯作者，焦海峰为本文的第一作者，其也是迁移体另一重要功能——线粒体质量调控（Mitocytosis）的发现者与第一作者。该研究受到中国科学院生物物理所李栋老师、郭玉婷老师大力支持。清华大学李晓鹏，李英，胡晓瑜，钟丘实，罗逸群，王瑾瑜，曹慧珍，杜万清对本文亦有重要贡献。
本文原文来自澎湃新闻