新型细胞器——迁移体的发现

2015年，清华大学余立教授团队首次在Cell research上提出“迁移体”（migrasomes）概念，由此又多了一种新型细胞器。

（一）细胞器的发现过程

细胞是生物体结构和功能的基本单位，真核细胞主要由细胞膜、细胞质基质和一些细胞器构成的，细胞的发现是随着光学显微镜，到电子显微镜加上密度梯度离心等技术的发展而逐渐发现的。余立教授团队通过电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、激光共聚焦、活细胞成像系统、光镜电镜联合技术等先进技术以及超高速密度梯度离心法联合使用，发现了一种新型细胞器，并且证实该细胞器与细胞迁移有关，并命名为迁移体。

（二）迁移体的发现过程

作者通过原位包埋方法制备TEM切片，观察，发现有种结构经常倾向于出现在细胞的某一侧。这种结构由单层膜包裹，并且其中包含着一些更小的囊泡。由于这种结构的形状和石榴的形状极其相似，命名为石榴样结构（PLSs） （Figure 1A）

Figure 1

作者通过对石榴样结构的大量观察，发现不同的石榴样结构，其大小之间有一定的差别（0.5-2um左右），并且石榴体重包含的更小囊泡的数量也有很大差别。推测，石榴样结构直径的差别，以及更小囊泡数量的不同，与其所处的生长周期有一定的关系。（Figure 1C、D）另外，作者观察到石榴体会通过丝状结构与细胞胞体之间连接在一起；通过场发射扫描电镜确定收缩丝上连着石榴样结构，并且石榴样结构是一个相对规则的球形（Figure 1B、E）。

（三）迁移体的标记蛋白鉴定

  通过密度梯度联合超高速离心方式，对样品进一步纯化，使得石榴样结构相对于集中在蔗糖梯度的某一层，最终获得精提的石榴样结构（Figure 1F）；将纯化的石榴样结构做蛋白质谱分析，发现60%的是膜相关蛋白（Figure 2B）。从质谱结果中挑选感兴趣的蛋白，将兴趣蛋白与GFP标记融合表达，转染细胞，通过激光共聚焦发现了一个标记蛋白Tspan4（Figure 2C）。通过光镜电镜联合技术，确认激光共聚焦观察到的带Tspan4标记的石榴样结构就是透射电子显微镜的石榴样结构（Figure 2E）。

Figure 2

（四）迁移体形成机制

迁移体在收缩丝上从无到有，从小长大的一个过程，并不是细胞直接留下的一个囊泡状结构（Figure 3B、3C）。迁移体的形成是一个相对快速的过程（Figure 3E），有一段时间，就会进入到一个相对稳定的阶段，大小不会再发生变化，最后，迁移体与收缩丝断裂，本身也破裂（Figure 3D）。

Figure 3

细胞迁移过程中形成石榴样结构；在细胞培养中加入Fn（具有促进细胞的黏附和迁移），发现在促进细胞迁移后，石榴样结构也更多，证实石榴样结构与细胞迁移有关 （Figure 4B、4C）；Sharpin敲低，细胞迁移速度加快，同时，石榴样结构数量增加（Figure 4D、4E）

加入细胞迁移的抑制剂后，石榴样结构数量减少（Figure 4F、4G）；多种实验证明石榴样结构与细胞迁移相关，故命名为迁移体。

Figure 4

 
        迁移体的结构相对较大，要克服巨大的膜表面张力，最终才能形成迁移体，需要形成以及维持这样一种结构，最有可能参与其中的蛋白应该就是肌动蛋白。采用LifeAct-GFP标记肌动蛋白，发现LifeAct确实存在于迁移体中，说明在迁移体中，存在聚合的肌动蛋白，并且LifeAct靠近迁移体的膜，暗示其对迁移体的形态维持有很重要的作用（Figure 5B）。加入肌动蛋白聚合的抑制剂影响迁移体的形成（Figure 5C、5D）。

Figure 5

 

（五）迁移体在体内外存在

  迁移体在正常细胞和癌细胞，在动物的各组织内均广泛存在（Figure 6）。

Figure 6

（六）迁移体的功能研究

GFP指示细胞质成分，TSPAN4指示迁移体；发现细胞质成分可以进入到迁移体中（Figure 7A、7B），将稳定表达TSPAN4-GFP的NRK细胞与稳定表达LAMP1-mCherry的NRK细胞共培养，发现迁移体会被周围的细胞摄取（Figure 7C）。

Figure 7

（七）迁移体标记染料

另外，作者建立了一种大分子染料X来标记迁移体。

迁移体发现总结

Ø  透射电镜发现石榴样结构，并且结构通过丝状物与胞体相连。

Ø  利用超高速密度梯度离心和质谱技术，发现感兴趣的蛋白，通过激光共聚焦和光镜电镜联用技术，找到石榴样结构的标记蛋白TSPAN4。

Ø  通过标记TSPAN4，利用长时间激光共聚焦拍摄，发现石榴样结构从无到有，从小到大，400分钟左右破裂，释放内容物 。

Ø  通过长时间激光共聚焦拍摄，发现石榴样结构与细胞迁移有关；通过促进细胞迁移（加入Fn或者敲低Sharpin）石榴样结构增加，而抑制细胞迁移（使用迁移抑制剂），发现石榴样结构减少，从而将石榴样结构命名为迁移体。

Ø  在不同细胞（正常细胞和肿瘤细胞）、三维培养、动物组织中广泛发现迁移体存在。

Ø  迁移体功能研究：利用共聚焦技术，发现细胞质成分会进入迁移体，迁移体可被周围细胞摄取。

Ø  发现一种染料可标记迁移体。

参考文献：

1.       Ma L , Li Y , Peng J , et al. Discovery of the migrasome, an organelle mediating release of cytoplasmic contents during cell migration[J]. Cell Research, 2015, 25(1):24-38.

2.       马亮. 迁移体的发现及其分子机制研究[D]. 2017.