利用光控分子马达实现对于细胞通讯的高精度调控
Nat Cell Biol封面文章 | 利用光控分子马达实现对于细胞通讯的高精度调控
人体由数十万亿的细胞组成，其正常生理活动的维持需要细胞间物质和信号传递的精准协调，而如此高精度的信号传递很难以单纯的信号因子顺浓度梯度扩散进行阐释。近些年有越来越多的证据表明，细胞会形成类似于神经元的细胞膜突起以实现远距离的细胞通讯，例如在发育过程辅助形态发生素的传输【1】、在病变条件下感知癌细胞微环境并促进癌细胞转移【2】，并有最新的研究表明新冠病毒会诱导宿主细胞产生丝状伪足从而实现出芽扩散【3】。虽然这些细长的细胞膜突起对于细胞通讯至关重要，但是时至今日我们仍然没有任何遗传学工具能人工操控这些精细的细胞膜结构，这种工具的缺失也严重阻碍了我们对于细胞通讯的更深一层探索。
2021年2月1日，斯坦福大学的Maria Barna实验室（第一作者为斯坦福大学医学院化学与系统生物学系博士研究生张紫剑）在Nature Cell Biology杂志发表了题为Optogenetic manipulation of cellular communication using engineered myosin motors的封面论文，介绍了一套全新的基因编码的人造分子马达，以实现对于细胞膜突起内任意GFP标记蛋白的高精度光控转运，并将此工具成功应用于成纤维细胞、人造诱导神经元以及活体墨西哥钝口螈（Ambystoma mexicanum）等多种生物体系内。
研究人员首先针对天然肌动蛋白速度慢、移动范围小的劣势对于其结构进行了重编程，并合成了自然界不存在的四聚体人造分子马达ATV（Artificial Transport Vehicle）。这种分子马达同时包含对于GFP有着强特异性结合属性的GFP nanobody，以实现对于GFP标记蛋白的特异性结合。在ATV的基础上，研究人员设计了基于Cry2olig蓝光激发域的optoATV（optogenetic ATV）。在成纤维细胞丝状伪足中的测试表明，optoATV可以被蓝光重复激发，并且可以十分有效地运输多种GFP标记蛋白，并以此完成了对于丝状伪足长度和数量的动态调节，以及对于大型跨膜受体蛋白Patched1和Dispatched1的光控定位。
为了测试optoATV在未成熟神经元的树突和轴突中的表现，研究人员发明了一种简易、有效、可重复获取神经元前体细胞的方法 — 从mES
细胞（mouse
Embryonic Stem Cells）诱导分化成为iN细胞（induced Neuronal Cells）。经过优化，mES细胞可以以极高的效率在2周内诱导成成熟的iN细胞。在未成熟的iN细胞中，研究人员利用optoATV在轴突中成功转运了GFP标记的线粒体，并且利用optoATV特异消除了iN细胞的神经元突起。
研究人员随后选用了墨西哥钝口螈（俗称六角恐龙）作为optoATV测试的活体模型。墨西哥钝口螈由于可以在短期时间内再生自身的大部分器官，一直是科学界研究脊椎动物活体再生的常用实验动物。
研究人员首次对前肢再生的活体墨西哥钝口螈进行了高分辨率显微共聚焦成像，并成功观测到了四肢再生处细胞产生的大量丝状伪足。此现象与发育过程中发现的特化丝状伪足高度相似，从而间接体现了再生过程与发育过程的相似性。为了研究这些丝状伪足在再生过程的生物学作用，研究人员将optoATV特异表达在墨西哥钝口螈的前肢，并通过调节房间的光照条件对于墨西哥钝口螈的丝状伪足进行不同程度的消除。通过35天的追踪研究，研究人员发现丝状伪足被特异性消除的墨西哥钝口螈依然能够再生完整的前肢，但是其A-P轴（Anterior-Posterior Axis）的形态出现了显著差异。通过对于不同信号通路进行RT-qPCR量化，研究人员发现了Shh信号通路在这些墨西哥钝口螈前肢A-P轴的差异性表达，此发现彰显了再生过程中丝状伪足对于细胞通讯的重要性。
综上，该论文介绍了一种新型基因编码的光控分子马达，并实现了对于细胞通讯的高精度时空调控，从而揭示了器官再生过程细胞长距离通讯的分子机制。考虑到细胞骨架以及细胞膜突起的普遍性，该研究有潜力为发育生物学、癌症生物学以及神经科学等领域提供新的研究途径。
-
项目成果
