专访范德堡大学研究团队:专注探索细胞微管的未知作用

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2017年1月5日 来源:生物通

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  2007年6月,范德比尔特大学医学院Irina Kaverina博士带领的研究小组,在微管起源研究中获得了重大突破。他们发现高尔基体(Golgi apparatus)是微管的另一个起源,在此之后经过了八年的深入探索,该研究小组又在《Developmental Cell》上发布了一项令人惊讶的研究结果。

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生物通报道:微管(microscopic)是细胞骨架的组成部分,起源于中心体(centrosome)。2007年6月,范德比尔特大学医学院Irina Kaverina博士带领的研究小组,在微管起源研究中获得了重大突破。他们发现高尔基体(Golgi apparatus)是微管的另一个起源,指出了一种可能指导细胞运动和癌细胞入侵的新细胞机制。这一成果刊登于国际著名学术期刊《Developmental Cell》。(相关阅读:高尔基体被证实是另一个微管形成中心

在此之后经过了八年的深入探索,该研究小组又在《Developmental Cell》上发布了一项令人惊讶的研究结果,他们报道称,微管——细胞中的“高速公路”,在胰腺β细胞中发挥一个令人惊讶的作用,它们不是促进葡萄糖刺激的胰岛素分泌,而是对其有限制作用。(相关阅读:华人学者:控制胰岛素分泌的细胞阀

为了更进一步了解这项重要的研究成果,生物通特地联系了第二篇论文的第一作者朱晓东博士、以及这两篇论文的通讯作者Irina Kaverina博士(以下简称范德堡小组),就读者感兴趣的问题进行了探讨。

生物通:你们的研究为何要关注微管这个细胞结构?又是如何将微管与胰岛素分泌联系到一起的?

范德堡小组:这项工作是延续我们2007年的一项研究,当时包括生物通在内的多家媒体也进行了报道(相关阅读:高尔基体被证实是另一个微管形成中心)。 在2007年的工作中,Kaverina博士发现高尔基体能组织微管,而不仅是传统观点上认为的中心体组织微管。那么随之而来的重要问题就是,这种从高尔基体组织的微管,在体内正常细胞中到底有什么重要的生物学功能。这是我们最初想回答的问题。

我们原本的计划是分门别类、在有不同生物学功能的细胞中各选取一到两种,比如内分泌细胞,外分泌细胞,神经细胞……,我们当时的假设是,高尔基体组织的微管在细胞内的运输过程中起到了至关重要的作用。高尔基体生成的囊泡,特异地通过高尔基体微管运送至细胞膜附近,继而释放。我们知道,内分泌、外分泌、以及神经细胞中,这种分泌功能十分旺盛。胰岛素分泌细胞——beta细胞,是我展开实验的第一种细胞。这种细胞有非常重要的生理学功能。胰岛素分泌受损引起糖尿病。而目前全世界有3亿五千万糖尿病患者。因此我们认为,我们的研究有可能发现改善beta细胞功能、治疗糖尿病的方法。

生物通:你们为什么说第二项研究结果是非常令人惊讶的?


范德堡小组:因为按照传统的细胞生物学理论,微管是细胞内囊泡运输所必需的。在beta细胞中,胰岛素首先在位于细胞中心的高尔基体加工,包装,形成胰岛素颗粒,并以出芽方式离开高尔基体。胰岛素颗粒在释放前,必须首先到达细胞膜。长期存在的理论是,微管是胰岛素颗粒从高尔基附近运向细胞膜的“高速公路”。虽然这一理论并没有直接的实验证据,但一直以来它却深入人心,纠其原因主要是因为这一理论与传统的细胞生物学模型是一致的。

刚开始研究时,我们对这一假说也深信不疑。按照传统模型,如果beta细胞没有微管,胰岛素颗粒将不能有效的运输到细胞膜附近。这种情况下,葡萄糖刺激后胰岛素的分泌应该减少,因为细胞膜附近没有足够的胰岛素颗粒。但我们非常震惊地发现,当我们用药物破坏了微管后,葡萄糖刺激后胰岛素的分泌不仅没有降低,反而升高了。这一结果,完全与当时的理论不符合,根本令人无法理解。我们三个不同实验室分别独立的重复了这一实验几十次,所有实验结果非常一致的显示,微管对胰岛素的分泌起到了负调控。这一结果确实非常奇怪,与许多实验室以前发表的结果也不同。我们认为有以下因素造成了这一差异:(1)我们实验中使用了胰岛细胞,而不是beta细胞系。细胞系有可能在培养过程中丧失了精准调控胰岛素分泌的能力。(2)我们实验中用来衡量胰岛素释放的参数是,释放胰岛素占胰岛内胰岛素总量的百分比(释放胰岛素/总胰岛素),而不是仅仅检测胰岛素释放的绝对量。这一参数的使用,使得我们可以不受不同细胞内胰岛素本身含量多少的影响。(3)我们实验室有全世界领先的活细胞成像技术。这一技术使得我们可以用多种方法十分准确的检测胰岛素的释放。而其他方法经常不能做到。(见下文)

生物通:你们在研究中都使用了哪些技术?


范德堡小组:为了理解微管对于胰岛素颗粒运输的作用,我们使用了SIM显微镜(Structured Illuination Microscopy )来观察微管在beta细胞中的结构,我们还使用了转盘激光共聚焦显微镜(spinning disk confocal microscopy)来直接观察胰岛素颗粒在细胞内的运输情况。为了直接用显微镜观察到胰岛素颗粒,我们利用我们的转基因小鼠技术,让小鼠表达荧光(mcherry)融合的胰岛素颗粒。通过这一技术我们发现正常情况下胰岛素颗粒在细胞内,完全没有想象中的从细胞中间向细胞膜运输的运输过程,大多胰岛素颗粒是没有方向性的随机运动。利用全内反射显微镜(Total internal reflection microscopy),我们可以特异性地观察胰岛素颗粒与细胞膜的结合,以及沿着细胞膜的运动情况。同时我们可以利用这种显微镜直接观察到每一颗胰岛素颗粒的释放。荧光染料FluoZin可以与新释放的胰岛素颗粒-锌离子结合。利用这一染料,我们可以在显微镜下,实时地观察到胰岛素颗粒的释放。所有这些不同实验技术的结果显示,微管的主要作用是阻止胰岛素颗粒靠近细胞膜,从而避免了胰岛素释放过多。

生物通:这项研究后续又开展了哪些工作?


范德堡小组:2016 年开始,Kaverina博士和第二项研究的共同通讯作者古国强(Qiangguo Gu)博士共同获得NIH的经费支持,用来展开后续三方面的研究:1葡萄糖是如何增加在高尔基体上的微管的合成;2.葡萄糖是如何使胰岛素细胞内微管稳定性降低, 3. 葡萄糖是如何通过影响细胞膜附近的微丝结构从而影响微管的稳定性。4. 我们如何能通过改变微管的稳定性进而增强beta细胞功能,从而首先在模式动物体内治疗糖尿病。

后记:我们在Irina N. Kaverina博士的实验室网页上看到,从2006年至今,他们一直致力于细胞微管的科学研究,在Development Biology、Development Cell、PLOS ONE、JBC和JCB等国际期刊发表微管方面的研究论文十余篇。这种持之以恒和严谨治学的精神,是非常值得我们学习和借鉴的。

作者简介:

1. Irina N. Kaverina,硕士毕业于莫斯科大学,博士毕业于莫斯科医学科学院,目前是范德堡大学细胞和发育生物学系教授。

2. 古国强:(Guoqiang Gu),本科毕业于吉林大学,硕士毕业于中国科学院北京生物物理研究所,博士毕业于哥伦比亚大学。目前是范德堡大学细胞和发育生物学系副教授(associate professor)。

3. 朱晓东(Xiaodong Zhu),本科毕业于西北大学生物技术专业,硕士毕业于中国科技大学分子和细胞生物学专业,博士毕业于新加坡国立大学淡马锡生命科学研究所。目前就职于范德堡大学细胞和发育生物学系研究讲师(Research Instructor)。

 

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