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细胞|细胞外有颗奇怪的“石榴”——科学家是这样做出新发现的( 三 )


但是，为何TEMA的聚集会导致膜管膨胀成迁移体呢？科研中最让人难受的事莫过于做了一个完美的实验却无法解释其结果 。万幸的是，我与以色列特拉维夫大学（Tel Aviv University）的迈克尔·科兹洛夫（Michael Kozlov）教授相识多年，他是个物理学出身的生物物理学家，是膜塑形领域的顶尖专家 。迈克尔教授和他实验室一位聪明的研究生本·祖克（Ben Zuker）很快为收缩丝到迁移体的膜形变过程建立一个数学模型 。该模型表明，当组合出的Tspan4富集的宏结构域的弯曲刚性超过膜的其余部位，收缩丝会自发地膨胀形成迁移体 。这个模型可以用下面的类比来理解：假设我们有一个直径恒定的橡皮筋，但是不同部位的弹性不一样，当我们拉伸橡皮筋时，拉力会把橡皮筋拉长并拉细，硬的部位相比柔软的部位拉伸得少，因此会更粗 。这个模型预测，TEMA的硬度会是收缩丝其余部位的5-10倍大， 在后续工作中， 原子力显微镜直接测量了迁移体膜的硬度，证实了这一预测 。因此，迁移体的形成是由简单的物理过程所驱动的 。
这一模型为我们提供了一个理解迁移体形成的理论框架 。更重要的是，它确定了四跨膜蛋白在迁移体形成过程中的中心地位，此基础上，我们得以在研究迁移体的生理功能 。
在研究迁移体和迁移性胞吐的生理功能时，最重要且最困难的部分是建立合适的动物模型 。当时我们并不知道迁移体会在什么时间、什么部位、在哪种动物里出现 。为了让搜索更加高效，我们制定了几条衡量好模型的标准 。首先，模型必须便于显微镜观察 。其次，模型需要容易开展遗传操作 。最后，我们想要的模型应该是很容易获得的——如果隔壁实验室就有，那就再好不过了 。最后，我们决定尝试斑马鱼胚胎 。斑马鱼胚胎是透明的，因此是显微镜下研究的绝佳之选；而且基因敲除鱼很容易得到；最重要的是，使用斑马鱼为模型的著名发育生物学家孟安明教授就在我们隔壁楼里 。
我们首先构建了表达迁移体标记蛋白的斑马鱼胚胎，并用活细胞成像技术观察这些胚胎 。第一次试验中，我们就在活体胚胎里观测到了大量的迁移体和收缩丝（Jiang et al., 2019） 。我们发现迁移体主要形成于原肠运动期 。我们已经知道了迁移体形成所必需的一系列基因，如itgb1b, tspan4a 和tspan7，因此我们制备了敲除上述三个基因的斑马鱼 。我们发现，迁移体的数量在敲除鱼的胚胎中有所减少，更有趣的是，这些迁移体减少的斑马鱼都出现了器官形成的缺陷——最明显的表型是不对称发育缺陷，包括左右翻转，多种器官的双侧复制（译注：即本该只在一侧出现的器官长在了身体另一侧或双侧都有） 。
但这是否意味着敲除斑马鱼中的器官生成缺陷，是迁移体形成减少所致的呢？
答案是：并不一定 。因为这些基因还具有与迁移体无关的其他功能，也可能是那些功能调控了器官生成 。这样说来，迁移体形成也完全可能与器官生成毫不相关 。实际上，在很多领域里，当我们去研究某个特定的细胞内事件的生理功能时，都会遇到类似的问题，至今也没有解决的办法 。好在我们可以纯化迁移体，开展回补实验（rescue）——从野生型斑马鱼胚胎里纯化出迁移体，随后注射到敲除鱼的胚胎中 。回补实验显示，敲除鱼的胚胎在注射了迁移体后，成功地恢复了器官形成，这表明器官形成的确依赖于迁移体，而不是Tspan4和Tspan7基因中那些与迁移体无关的其他功能 。
下一个问题，迁移体又是如何调控器官生成的呢？我们推断迁移体可能包含某些信号分子，这些分子会在器官生成过程中指导细胞做出正确响应 。为了检测这个理论，我们使用定量质谱的方法分析了纯化的迁移体 。我们发现，迁移体中的确富集了一批配体分子，如趋化因子、细胞因子、形态发生素、生长因子等 。其中，我们特别注意到了趋化因子CXCL12，因为CXCL12a的敲除鱼出现了和迁移体缺陷鱼相似的不对称发育缺陷 。此外，将野生斑马鱼胚胎中的迁移体注射入CXCL12a敲除的斑马鱼胚胎中，能够成功恢复不对称发育的缺陷 。因此，我们认为CXCL12是迁移体调控不对称发育中的关键分子 。

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