責編 | 酶美
日前，劍橋大學的Clemens Kaminski研究組（第一作者為盧萌博士）在Science Advances雜誌上發表了題為“The structure and global distribution of the endoplasmic reticulum network are actively regulated by lysosomes ”的研究論文。 該研究基於超高解析度活細胞動態成像和細胞器光遺傳學等分子手段，構建了識別內質網不同特徵結構的卷積神經網路，進行自動化（automatic），無偏倚（non-biased）和快速批次的模式識別，分析並統計內質網在不同狀態下的結構特徵和胞內分佈，發現了溶酶體對內質網結構實時動態調控的動力學基礎，解析了細胞器相互運動的因果性機制。這個工作綜合了超高解析度成像，細胞生物學和深度學習的前沿技術，實現了基於超分辨成像的大規模影象處理和資料分析，從而發現了新的多細胞器作用機制。
胞內細胞器實時發生快速的結構和分佈變化。這些結構和分佈的改變，既受到細胞內部環境的調控，也作為調控手段去影響細胞內環境，執行復雜的細胞功能。內質網是胞內最大的細胞器，延伸至胞內每一個角落，形成一張由片狀的粗麵內質網和管狀的光面內質網所構成的網路。內質網是蛋白質生產工廠，絕大多數蛋白質的合成和修飾都發生在內質網上，是維持蛋白質穩態的重要一環；內質網也是胞內鈣離子的儲存器，與幾乎所有其他細胞器都有結構上的接合，調控各細胞器和胞內整體的鈣離子穩態。內質網這張由片狀和管狀結構共同構成的膜系統持續不斷地進行快速和劇烈的結構變化，最為突出的是管狀結構的延伸與收縮，而這能直接決定內質網的空間分佈和結構形態，如片狀和管狀結構之間的比例等，從而影響內質網的功能。內質網佔有超過50%的胞內膜結構，其大範圍的快速形變必定受到精確而有力的調控，有深刻的動力學基礎和生理學意義。
由於內質網和溶酶體都可以直接結合馬達蛋白運動，而這便引申出了重要問題：在內質網和溶酶體的協同作用中，誰是動力基礎？這一協同作用僅僅存在於內質網區域性還是對其整體的結構特徵和分佈都有作用？更深入的是，這一協同作用的生理學意義是什麼？帶著這一系列問題，Kaminski研究組首先進行了基於超高解析度成像的統計分析，發現溶酶體的協同作用貢獻了73%的管狀結構延伸長度（對應31%的延伸次數，與之前的研究一致）。在沒有溶酶體參與時，多數管狀結構的伸長經常“後繼乏力”，在還未結合到其他內質網前就收縮了回去。
圖1. 左圖：內質網（紫紅色）和溶酶體（綠色）的超高解析度成像。右圖：內質網在45秒內的動態疊加圖（顏色標記成像時間點），黑色部分為不同顏色重疊，即穩定不動的內質網結構。
在進一步的機理研究中，為了減弱內質網和溶酶體的錨定強度，作者過表達變異蛋白VAPA(KD/MD), 並觀察到隨著兩者的分離，溶酶體有一個顯著的加速運動，而內質網立刻收縮了回去，初步證明了溶酶體為協同運動的動力源。為了更準確全面地解析其動力基礎，研究利用細胞器光遺傳技術，快速誘發全細胞的溶酶體進行順行運動（anterograde motion）, 與此同時，觀察到內質網管狀結構隨之快速地鋪展到細胞邊緣，多通道成像觀察到新的管狀網路完全由溶酶體的定向運動拉伸而形成。在4分鐘的調控過程中，內質網網路如瀑布一般隨溶酶體飛噴而出，令人想起“飛流直下三千尺，疑是銀河落九天”。由此，研究證實了溶酶體運動對內質網動態結構和其胞內時空分佈的因果性調控作用。
圖2. 在光遺傳誘導的溶酶體（紅色）順行運動（anterograde）中，內質網（白色）被溶酶體（紅色）拉伸而向細胞外圍迅速擴充套件。
溶酶體不僅是胞內主要的回收站（recycling），而且也是最重要的訊號感受器之一。其時空分佈既受到細胞營養狀態的精確調控，同時也誘發訊號通路對胞內環境的變化做迴應，維持細胞穩態。這一功能和內質網有本質上的關聯。在解析了兩者間的協同作用對內質網形態調控的因果關係後，作者更進一步探究其背後的生理學意義。研究在細胞內嘗試了四種分別能調控溶酶體時空分佈的營養狀態，發現隨著溶酶體的分佈變化，內質網管狀結構也隨之延伸或收縮，進而改變管狀和片狀結構的分佈和比例。因此，這一溶酶體引導的內質網結構變化和時空分佈具有顯著的生理學基礎。更進一步，作者將結果擴充套件到神經元，發現在生長的軸突上，減弱溶酶體對內質網的錨定和拉伸作用，影響軸突生長，使其變短變少。而超分辨成像顯示溶酶體結合管狀內質網後進行拉伸運動，將斷損的內質網快速融合起來，保持軸突內質網的結構連續性; 而在內質網和溶酶體錨定作用減弱的神經元中，軸突內質網出現了大量斷損片段。而這驗證了溶酶體對內質網調控作用在非極化和極化細胞中都普遍存在，尤其是對神經軸突的生成有重要作用。
這項研究從既有的觀察中出發，深入解析了溶酶體對內質網快速形變和分佈變化的全面而精確的調控作用，發現了兩者協同運動的動力學基礎和生理學意義。而在神經發育方面的延伸工作，也為接下來多細胞器相互作用在神經生長和退行性病中的作用提供了新的方向和基礎。
圖3.神經元軸突內溶酶體（綠色）拉伸內質網（紫紅色）向前運動，從而將兩段斷開的內質網連線起來。
展望和暢想
論文連結：https://advances.sciencemag.org/content/6/51/abc7209排版人：SY
參考文獻
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