撰文 | 張紫劍
責編 | 兮
人體由數十萬億的細胞組成，其正常生理活動的維持需要細胞間物質和訊號傳遞的精準協調，而如此高精度的訊號傳遞很難以單純的訊號因子順濃度梯度擴散進行闡釋。近些年有越來越多的證據表明，細胞會形成類似於神經元的細胞膜突起以實現遠距離的細胞通訊，例如在發育過程輔助形態發生素的傳輸【1】、在病變條件下感知癌細胞微環境並促進癌細胞轉移【2】，並有最新的研究表明新冠病毒會誘導宿主細胞產生絲狀偽足從而實現出芽擴散【3】。雖然這些細長的細胞膜突起對於細胞通訊至關重要，但是時至今日我們仍然沒有任何遺傳學工具能人工操控這些精細的細胞膜結構，這種工具的缺失也嚴重阻礙了我們對於細胞通訊的更深一層探索。
2021年2月1日，斯坦福大學的Maria Barna實驗室（第一作者為斯坦福大學醫學院化學與系統生物學系博士研究生張紫劍）在Nature Cell Biology雜誌發表了題為Optogenetic manipulation of cellular communication using engineered myosin motors的封面論文，介紹了一套全新的基因編碼的人造分子馬達，以實現對於細胞膜突起內任意GFP標記蛋白的高精度光控轉運，並將此工具成功應用於成纖維細胞、人造誘導神經元以及活體墨西哥鈍口螈（Ambystoma mexicanum）等多種生物體系內。
圖1. OptoATV的啟用原理以及分子構造示意圖
研究人員首先針對天然肌動蛋白速度慢、移動範圍小的劣勢對於其結構進行了重程式設計，併合成了自然界不存在的四聚體人造分子馬達ATV（Artificial Transport Vehicle）。這種分子馬達同時包含對於GFP有著強特異性結合屬性的GFP nanobody，以實現對於GFP標記蛋白的特異性結合。在ATV的基礎上，研究人員設計了基於Cry2olig藍光激發域的optoATV（optogenetic ATV）。在成纖維細胞絲狀偽足中的測試表明，optoATV可以被藍光重複激發，並且可以十分有效地運輸多種GFP標記蛋白，並以此完成了對於絲狀偽足長度和數量的動態調節，以及對於大型跨膜受體蛋白Patched1和Dispatched1的光控定位。
圖2. optoATV可以有效調控人造誘導神經元細胞中線粒體的位置
為了測試optoATV在未成熟神經元的樹突和軸突中的表現，研究人員發明了一種簡易、有效、可重複獲取神經元前體細胞的方法 — 從mES 細胞（mouse Embryonic Stem Cells）誘導分化成為iN細胞（induced Neuronal Cells）。經過最佳化，mES細胞可以以極高的效率在2周內誘導成成熟的iN細胞。在未成熟的iN細胞中，研究人員利用optoATV在軸突中成功轉運了GFP標記的線粒體，並且利用optoATV特異消除了iN細胞的神經元突起。
圖3. 墨西哥鈍口螈（ambystoma mexicanum）。圖片引自：https://pixabay.com
研究人員隨後選用了墨西哥鈍口螈（俗稱六角恐龍）作為optoATV測試的活體模型。墨西哥鈍口螈由於可以在短期時間內再生自身的大部分器官，一直是科學界研究脊椎動物活體再生的常用實驗動物。
圖4. 墨西哥鈍口螈前肢再生過程中的去分化細胞會產生大量數十微米長的絲狀偽足
研究人員首次對前肢再生的活體墨西哥鈍口螈進行了高解析度顯微共聚焦成像，併成功觀測到了四肢再生處細胞產生的大量絲狀偽足。此現象與發育過程中發現的特化絲狀偽足高度相似，從而間接體現了再生過程與發育過程的相似性。為了研究這些絲狀偽足在再生過程的生物學作用，研究人員將optoATV特異表達在墨西哥鈍口螈的前肢，並透過調節房間的光照條件對於墨西哥鈍口螈的絲狀偽足進行不同程度的消除。透過35天的追蹤研究，研究人員發現絲狀偽足被特異性消除的墨西哥鈍口螈依然能夠再生完整的前肢，但是其A-P軸（Anterior-Posterior Axis）的形態出現了顯著差異。透過對於不同訊號通路進行RT-qPCR量化，研究人員發現了Shh訊號通路在這些墨西哥鈍口螈前肢A-P軸的差異性表達，此發現彰顯了再生過程中絲狀偽足對於細胞通訊的重要性。
綜上，該論文介紹了一種新型基因編碼的光控分子馬達，並實現了對於細胞通訊的高精度時空調控，從而揭示了器官再生過程細胞長距離通訊的分子機制。考慮到細胞骨架以及細胞膜突起的普遍性，該研究有潛力為發育生物學、癌症生物學以及神經科學等領域提供新的研究途徑。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41556-020-00625-2
參考文獻
1. Sanders, T. A., Llagostera, E., & Barna, M. (2013). Specialized filopodia direct long-range transport of SHH during vertebrate tissue patterning. Nature, 497(7451), 628-632.
2. Eddy, R. J., Weidmann, M. D., Sharma, V. P., & Condeelis, J. S. (2017). Tumor cell invadopodia: invasive protrusions that orchestrate metastasis. Trends in cell biology, 27(8), 595-607.
3. Bouhaddou, M., Memon, D., Meyer, B., White, K. M., Rezelj, V. V., Marrero, M. C., ... & Krogan, N. J. (2020). The global phosphorylation landscape of SARS-CoV-2 infection. Cell, 182(3), 685-712.