造礁珊瑚钙化介质胞内运输新机制：Rab11依赖的内体循环通路在生物矿化中的作用

《Communications Biology》：Insights on the intracellular trafficking of calcifying medium in a reef-building coral

本研究针对珊瑚生物矿化过程中钙化介质(CM)的胞内运输机制尚不明确的问题，通过活体成像和免疫荧光技术，首次揭示了造礁珊瑚Stylophora pistillata钙化细胞通过巨胞饮作用内化CM后，部分内体进入Rab11依赖的慢速循环通路，并与骨骼有机基质(SOM)共定位，为珊瑚细胞内生物矿化模型提供了关键细胞生物学证据。

　　

在浩瀚的海洋中，珊瑚礁犹如水下都市，其宏伟建筑的主要工程师是造礁石珊瑚。这些生物通过分泌碳酸钙骨架构筑了复杂的三维结构，为近四分之一的海洋物种提供栖息地。然而，支撑这一生态奇迹的生物矿化过程，特别是细胞层面的精细调控机制，至今仍有许多未解之谜。

传统观点认为珊瑚钙化完全发生在细胞外的钙化介质(Calcifying Medium, CM)中，但近年研究发现钙化细胞（calicoblastic cells）会通过巨胞饮(macropinocytosis)大量内吞CM，甚至提出无定形碳酸钙(Amorphous Calcium Carbonate, ACC)纳米颗粒可能在细胞内形成的创新模型。这一颠覆性假说引出了关键科学问题：被内吞的CM在细胞内经历了怎样的运输旅程？这些携带矿化成分的囊泡最终去向何方？解答这些问题对理解珊瑚礁形成机制及应对气候变化引发的海洋酸化威胁具有重要意义。

为此，由Benoit Chatin和Marie Robert共同领导的研究团队在《Communications Biology》上发表了最新成果。研究人员以模式造礁珊瑚Stylophora pistillata为对象，聚焦于其菌落边缘生长区(GE)的钙化细胞，这些区域细胞活跃沉积骨架，是观察生物矿化过程的天然窗口。

研究团队采用了几项关键技术：首先通过生物信息学分析确认珊瑚基因组中存在内体循环关键调控因子Rab11的同源基因；利用可固定荧光探针Lucifer Yellow CH(LY)进行脉冲-追踪实验，实时示踪CM内吞过程；结合特异性抗体对Rab11和骨骼有机矩阵(Skeletal Organic Matrix, SOM)进行免疫荧光标记；最后采用共聚焦显微镜(Confocal microscopy)进行高分辨率三维成像，并通过专业软件进行定量分析。

S. pistillata possesses a homolog of the slow endosomal regulating protein Rab11

研究人员首先从基因组层面证实S. pistillata拥有完整的胞内运输分子机器。系统发育分析显示，珊瑚基因组编码多种Rab GTP酶同源物，包括调控快速循环的Rab4、介导内吞的Rab5、晚期内体标志物Rab7，以及本研究关注的慢速内体循环关键调控因子Rab11。珊瑚Rab11(SpiRab11)与人类Rab11相似度达89.7%，且免疫印迹验证了特异性抗体的交叉反应性。免疫荧光显示Rab11阳性囊泡(221±89 nm)主要分布于钙化细胞质中，密度显著高于内胚层细胞，提示钙化细胞具有活跃的内体循环活动。

Small fluorescent probes are internalized by calicoblastic cells through macropinocytosis

为实时追踪CM胞内运输，研究比较了两种荧光探针：经典但不可固定的钙黄绿素(calcein)和可固定型LY。活体成像显示两者均能通过细胞旁路(paracellular pathway)快速进入细胞外CM，随后被钙化细胞顶膜通过巨胞饮方式内吞，形成直径0.2-1.5μm的大囊泡——巨胞饮体(macropinosomes)。重要的是，使用巨胞饮特异性抑制剂EIPA可显著降低细胞内荧光强度(71%)和标记囊泡体积，证实了这一内吞途径的性质。

A portion of the endocytosed CM undergoes slow endosomal recycling

核心发现来自脉冲-追踪实验与免疫标记的结合。LY标记的CM内吞后，通过三维物体分析显示，这些囊泡迅速获得Rab11标记，5分钟时达到峰值(24%的LY囊泡含Rab11)。Rab11荧光强度在脉冲后显著增加，50分钟后回至基线，表明部分CM内体进入了Rab11依赖的慢速循环通路。同时，这些囊泡始终含有SOM成分，可能来源于分泌途径的重叠或从细胞外CM的再内吞。

Endosomes contain Skeletal Organic Matrix

SOM免疫标记显示，LY阳性内体普遍含有SOM，但其在囊泡内的信号强度随时间无显著变化。这表明SOM可能通过两种途径进入内体：一是分泌途径与循环途径的交叠直接输送，二是已分泌至CM的SOM随巨胞饮被重新内吞。研究还观察到不含LY和Rab11的SOM囊泡，可能代表从高尔基体新合成的分泌囊泡。

研究结论描绘出珊瑚钙化细胞胞内运输的新图景：海水成分通过细胞旁路进入细胞外CM；钙化细胞通过巨胞饮内化CM形成内体；部分内体进入Rab11依赖的慢速循环途径，可能导向质膜循环；SOM通过多种途径与CM内体汇合。这一发现将胞内运输系统与生物矿化过程紧密联系，揭示了钙化细胞在维持质膜稳态的同时，可能通过内体循环重复利用矿化成分的节能策略。

该研究的科学意义远超珊瑚生物学范畴。Rab11同源物在人类成骨细胞胞外基质囊泡也有发现，海胆中Rab35调控骨骼发生，有孔虫钙化时Rab5/7/8表达上调，表明Rab GTP酶介导的囊泡运输在生物矿化中可能具有进化保守性。未来通过基因编辑技术荧光标记Rab GTP酶、离子转运蛋白或骨架基质蛋白，将能在活体珊瑚中实时可视化生物矿化的亚细胞过程，为理解这一古老而精妙的生命过程开启新窗口。