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遷移體。俞立課題組供圖

■本報記者 李晨陽(yáng)

5月25日、27日，清華大學(xué)連續有兩篇論文在《細胞》雜志上線(xiàn)。第一篇由該校腦與認知科學(xué)研究院、自動(dòng)化系戴瓊海院士課題組和生命學(xué)院俞立課題組合作完成；第二篇則由俞立課題組領(lǐng)銜完成。

兩篇論文都跟中國科學(xué)家發(fā)現的一種新細胞器——遷移體有關(guān)。第一篇論文用一種突破性的顯微新技術(shù)，實(shí)現了首次在小鼠體內觀(guān)測遷移體的動(dòng)態(tài)過(guò)程；而第二篇論文則報道了一個(gè)新發(fā)現——遷移體是如何幫助細胞實(shí)現線(xiàn)粒體“質(zhì)控”的。

發(fā)現細胞里的“新大陸”

2014年，俞立團隊在《細胞研究》發(fā)表論文，報告了一種全新的細胞器——遷移體。這一發(fā)現的意義，不啻于在衛星遙感全覆蓋的時(shí)代，又找到了一片隱藏的新大陸。

在顯微鏡下，快速移動(dòng)的細胞被熒光蛋白點(diǎn)亮，就像一只浮浮沉沉的水母，身后拖動(dòng)著(zhù)大量長(cháng)長(cháng)的絲狀線(xiàn)條，被稱(chēng)為“收縮纖維”。收縮纖維末端和交叉點(diǎn)上，不斷地會(huì )出現一些石榴狀的小圓球，這就是遷移體。

“會(huì )動(dòng)的細胞基本都有遷移體?！庇崃Α吨袊茖W(xué)報》說(shuō)。而中性粒細胞等免疫細胞是有機體內的“運動(dòng)健將”，往往會(huì )產(chǎn)生大量的遷移體。

在細胞遷移過(guò)程中，細胞會(huì )通過(guò)收縮纖維的管道，持續把一些胞內物質(zhì)運輸到遷移體中，隨后收縮纖維斷裂，遷移體被釋放，繼而被細胞外空間或周?chē)募毎麛z取。

看起來(lái)，就像細胞一路走，一路丟下好多小球球。這些小球球里“裝著(zhù)”大量趨化因子、細胞因子和生長(cháng)因子等信號分子，這可能暗示著(zhù)它們有非常復雜而特殊的功能。

遷移體究竟有什么功能？最新的論文可能揭開(kāi)了其中一角。

線(xiàn)粒體“質(zhì)控”大揭秘

這次發(fā)現源于偶然，研究人員在細胞外的遷移體中發(fā)現竟然存在線(xiàn)粒體。而且這些線(xiàn)粒體明顯表現出不太健康的狀態(tài)。

“學(xué)生把照片給我看的時(shí)候，我大吃一驚?！庇崃⒄f(shuō)，“我們很快想到，可能是這次實(shí)驗中細胞沒(méi)養好，導致線(xiàn)粒體遭受了損傷，而只有線(xiàn)粒體受損的時(shí)候，才會(huì )出現這種情況?！?/p>

在此之前，科學(xué)家也見(jiàn)過(guò)線(xiàn)粒體在細胞外面的情況，但人們并不清楚其中的機制機理。俞立等人推測，這些“流落在外”的線(xiàn)粒體，可能就是被遷移體帶出去的“老弱病殘”。

進(jìn)一步研究發(fā)現，細胞里的線(xiàn)粒體往往被兩種不同方向的馬達蛋白拉著(zhù)，保持著(zhù)原地小范圍踏步的運動(dòng)模式。但如果線(xiàn)粒體被損傷了，向細胞內側牽引的馬達蛋白就會(huì )脫落，而向外牽引的馬達蛋白則會(huì )富集。這樣，線(xiàn)粒體就會(huì )被拉到細胞邊緣，被另一種像鉤子一樣的馬達蛋白牽住。等到細胞已經(jīng)走了，被鉤住的線(xiàn)粒體就留下來(lái)，進(jìn)入拖曳在后的遷移體中。

他們把這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為線(xiàn)粒體胞吐。

“我們相信，把壞掉的線(xiàn)粒體丟出去是細胞對線(xiàn)粒體的一種質(zhì)控機制?！庇崃⒄f(shuō)，“眾所周知，線(xiàn)粒體是細胞里的能量工廠(chǎng)?；钴S的細胞，耗能更多，線(xiàn)粒體的耗損也更多。而遷移體恰恰存在于這樣的細胞中，這不能不說(shuō)是大自然的精巧設計?！?/p>

隨著(zhù)遷移體研究的深入，科學(xué)家越來(lái)越需要在活著(zhù)的動(dòng)物體內觀(guān)察這種細胞器轉瞬即逝的動(dòng)態(tài)。戴瓊海課題組開(kāi)發(fā)的新型顯微技術(shù)，為這類(lèi)研究打開(kāi)了新的窗口。

超級顯微鏡還將揭示多少奇妙？

在最新的掃描光場(chǎng)顯微鏡（DAOSLIMIT）的鏡頭下，活體小鼠肝臟血管里的中性粒細胞，一邊運動(dòng)一邊留下了許多遷移體。

接下來(lái)，研究人員把人體腫瘤細胞注射進(jìn)活體斑馬魚(yú)幼體內，并且在較長(cháng)的時(shí)間里連續觀(guān)測到了腫瘤細胞通過(guò)囊泡和絲狀結構主動(dòng)適應環(huán)境的新現象。

“對活體哺乳動(dòng)物的亞細胞結構，進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的、三維的、高速高分辨率的顯微觀(guān)測，曾是無(wú)數科學(xué)家想做而做不到的事情?！眳⑴c這項工作的清華大學(xué)腦與認知科學(xué)研究院、自動(dòng)化系副研究員范靜濤對《中國科學(xué)報》說(shuō)，“這里主要涉及三大技術(shù)瓶頸?！?/p>

一是生物樣本復雜的三維結構，會(huì )導致嚴重的光學(xué)像差；二是光毒性，顯微設備的光照能把生物組織烤壞，嚴重影響對活體生物的長(cháng)時(shí)間觀(guān)測；三是高幀率和高分辨率的平衡，活體動(dòng)物的呼吸和心跳看起來(lái)很平緩，但到細胞和亞細胞水平上，就會(huì )出現明顯的“運動(dòng)模糊”，只有非常高幀率的設備，才能清晰捕捉到這些結構的動(dòng)態(tài)。

研究人員一舉解決了上述問(wèn)題，突破性地實(shí)現了哺乳動(dòng)物活體內連續數小時(shí)的毫秒級高速持續觀(guān)測。

“對我們來(lái)說(shuō)，研究快速變化的遷移體，正需要這樣的顯微技術(shù)?！庇崃⒑痛鳝偤Ｒ慌募春?，展開(kāi)合作。而遷移體的獨特特性，也充分發(fā)揮了DAOSLIMIT的功能優(yōu)勢。

“這篇論文所揭示的有趣現象，只是冰山一角?！贝鳝偤Ｕf(shuō)，“新的儀器技術(shù)為生命科學(xué)和醫學(xué)研究提供了新路徑，我們期待助力腦科學(xué)、腫瘤、免疫等關(guān)乎人民生命健康的重大基礎研究取得新的突破?！?/p>

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.029

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.027