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探秘細胞“新大陸”

超級顯微鏡看到“超快”遷移體

2021-05-28 中國科學報 李晨陽
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遷移體。俞立課題組供圖

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

  兩篇論文都跟中國科學家發現的一種新細胞器——遷移體有關。第一篇論文用一種突破性的顯微新技術,實現了首次在小鼠體內觀測遷移體的動態過程;而第二篇論文則報道了一個新發現——遷移體是如何幫助細胞實現線粒體“質控”的。

  發現細胞里的“新大陸”

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

  在顯微鏡下,快速移動的細胞被熒光蛋白點亮,就像一只浮浮沉沉的水母,身后拖動著大量長長的絲狀線條,被稱為“收縮纖維”。收縮纖維末端和交叉點上,不斷地會出現一些石榴狀的小圓球,這就是遷移體。

  “會動的細胞基本都有遷移體?!庇崃Α吨袊茖W報》說。而中性粒細胞等免疫細胞是有機體內的“運動健將”,往往會產生大量的遷移體。

  在細胞遷移過程中,細胞會通過收縮纖維的管道,持續把一些胞內物質運輸到遷移體中,隨后收縮纖維斷裂,遷移體被釋放,繼而被細胞外空間或周圍的細胞攝取。

  看起來,就像細胞一路走,一路丟下好多小球球。這些小球球里“裝著”大量趨化因子、細胞因子和生長因子等信號分子,這可能暗示著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了其中一角。

  線粒體“質控”大揭秘

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

  “學生把照片給我看的時候,我大吃一驚?!庇崃⒄f,“我們很快想到,可能是這次實驗中細胞沒養好,導致線粒體遭受了損傷,而只有線粒體受損的時候,才會出現這種情況?!?/p>

  在此之前,科學家也見過線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”的線粒體,可能就是被遷移體帶出去的“老弱病殘”。

  進一步研究發現,細胞里的線粒體往往被兩種不同方向的馬達蛋白拉著,保持著原地小范圍踏步的運動模式。但如果線粒體被損傷了,向細胞內側牽引的馬達蛋白就會脫落,而向外牽引的馬達蛋白則會富集。這樣,線粒體就會被拉到細胞邊緣,被另一種像鉤子一樣的馬達蛋白牽住。等到細胞已經走了,被鉤住的線粒體就留下來,進入拖曳在后的遷移體中。

  他們把這個過程稱為線粒體胞吐。

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

  隨著遷移體研究的深入,科學家越來越需要在活著的動物體內觀察這種細胞器轉瞬即逝的動態。戴瓊海課題組開發的新型顯微技術,為這類研究打開了新的窗口。

  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,一邊運動一邊留下了許多遷移體。

  接下來,研究人員把人體腫瘤細胞注射進活體斑馬魚幼體內,并且在較長的時間里連續觀測到了腫瘤細胞通過囊泡和絲狀結構主動適應環境的新現象。

  “對活體哺乳動物的亞細胞結構,進行長時間的、三維的、高速高分辨率的顯微觀測,曾是無數科學家想做而做不到的事情?!眳⑴c這項工作的清華大學腦與認知科學研究院、自動化系副研究員范靜濤對《中國科學報》說,“這里主要涉及三大技術瓶頸?!?/p>

  一是生物樣本復雜的三維結構,會導致嚴重的光學像差;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時間觀測;三是高幀率和高分辨率的平衡,活體動物的呼吸和心跳看起來很平緩,但到細胞和亞細胞水平上,就會出現明顯的“運動模糊”,只有非常高幀率的設備,才能清晰捕捉到這些結構的動態。

  研究人員一舉解決了上述問題,突破性地實現了哺乳動物活體內連續數小時的毫秒級高速持續觀測。

  “對我們來說,研究快速變化的遷移體,正需要這樣的顯微技術?!庇崃⒑痛鳝偤R慌募春?,展開合作。而遷移體的獨特特性,也充分發揮了DAOSLIMIT的功能優勢。

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

  相關論文信息:

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

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

打印 責任編輯:張芳丹
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