利用光控分子馬達實現對于細胞通訊的高精度調控

　　Nat Cell Biol封面文章 | 利用光控分子馬達實現對于細胞通訊的高精度調控

　　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信號傳遞的精準協調，而如此高精度的信號傳遞很難以單純的信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，細胞會形成類似于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并促進癌細胞轉移【2】，并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于細胞通訊至關重要，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于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雜志發表了題為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，以實現對于細胞膜突起內任意GFP標記蛋白的高精度光控轉運，并將此工具成功應用于成纖維細胞、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。

　　研究人員首先針對天然肌動蛋白速度慢、移動范圍小的劣勢對于其結構進行了重編程，并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于GFP有著強特異性結合屬性的GFP nanobody，以實現對于GFP標記蛋白的特異性結合。在ATV的基礎上，研究人員設計了基于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可以被藍光重復激發，并且可以十分有效地運輸多種GFP標記蛋白，并以此完成了對于絲狀偽足長度和數量的動態調節，以及對于大型跨膜受體蛋白Patched1和Dispatched1的光控定位。

　　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、可重復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）。經過優化，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，并且利用optoATV特異消除了iN細胞的神經元突起。

　　研究人員隨后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。墨西哥鈍口螈由于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。

　　研究人員首次對前肢再生的活體墨西哥鈍口螈進行了高分辨率顯微共聚焦成像，并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，并通過調節房間的光照條件對于墨西哥鈍口螈的絲狀偽足進行不同程度的消除。通過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。通過對于不同信號通路進行RT-qPCR量化，研究人員發現了Shh信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于細胞通訊的重要性。

　　綜上，該論文介紹了一種新型基因編碼的光控分子馬達，并實現了對于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、癌癥生物學以及神經科學等領域提供新的研究途徑。