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遷移體。俞立課題組供圖

■本報記者 李晨陽

5月25日、27日，清華大學連續(xù)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(lǐng)銜完成。

兩篇論文都跟中國科學家發(fā)現(xiàn)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)，實現(xiàn)了首次在小鼠體內(nèi)觀測遷移體的動態(tài)過程；而第二篇論文則報道了一個新發(fā)現(xiàn)——遷移體是如何幫助細胞實現(xiàn)線粒體“質(zhì)控”的。

發(fā)現(xiàn)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(xiàn)的意義，不啻于在衛(wèi)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(xiàn)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(nèi)的“運動健將”，往往會產(chǎn)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(xù)把一些胞內(nèi)物質(zhì)運輸?shù)竭w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(zhì)控”大揭秘

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

“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(yǎng)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(xiàn)這種情況。”

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(fā)現(xiàn)，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(nèi)側(cè)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(jīng)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(zhì)控機制。”俞立說，“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(shè)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(nèi)觀察這種細胞器轉(zhuǎn)瞬即逝的動態(tài)。戴瓊海課題組開發(fā)的新型顯微技術(shù)，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(nèi)，并且在較長的時間里連續(xù)觀測到了腫瘤細胞通過囊泡和絲狀結(jié)構(gòu)主動適應(yīng)環(huán)境的新現(xiàn)象。

“對活體哺乳動物的亞細胞結(jié)構(gòu)，進行長時間的、三維的、高速高分辨率的顯微觀測，曾是無數(shù)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(shù)瓶頸?！?/p>

一是生物樣本復雜的三維結(jié)構(gòu)，會導致嚴重的光學像差；二是光毒性，顯微設(shè)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(xiàn)明顯的“運動模糊”，只有非常高幀率的設(shè)備，才能清晰捕捉到這些結(jié)構(gòu)的動態(tài)。

研究人員一舉解決了上述問題，突破性地實現(xiàn)了哺乳動物活體內(nèi)連續(xù)數(shù)小時的毫秒級高速持續(xù)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(shù)。”俞立和戴瓊海一拍即合，展開合作。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(xiàn)象，只是冰山一角?！贝鳝偤Ｕf，“新的儀器技術(shù)為生命科學和醫(yī)學研究提供了新路徑，我們期待助力腦科學、腫瘤、免疫等關(guān)乎人民生命健康的重大基礎(chǔ)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