微管介导的溶酶体机械敏感动态调控集体细胞迁移中领头细胞的出现

《Nature Communications》：Mechanosensitive dynamics of lysosomes along microtubules regulate leader cell emergence during collective cell migration

在集体细胞迁移过程中，领头细胞如何从看似均一的细胞群体中脱颖而出并引导组织运动，其机制尚不完全清楚。本研究聚焦于溶酶体在伤口愈合等生理过程中的作用，发现细胞收缩力驱动溶酶体沿微管向细胞前沿运输，其外周积累与Rac1 GTPase相互作用，调控局部Rac1活性，进而触发肌动蛋白聚合和片状伪足形成，最终促进领头细胞的出现。这项研究揭示了溶酶体作为连接机械信号与生化信号平台的新功能，对理解发育、组织修复及癌症转移具有重要意义。

　　

在胚胎发育、伤口愈合乃至癌症转移等关键生命过程中，细胞常常以集体的形式进行协调有序的迁移。这支“细胞大军”的前沿，总有一些特殊的细胞扮演“领头羊”的角色，它们被称为领头细胞（leader cells）。这些细胞会伸出宽大的、如同伪足般的片状伪足（lamellipodia），为整个细胞群体的移动指引方向。尽管领头细胞的重要性不言而喻，但一个核心的科学谜团始终悬而未决：在迁移前沿众多看似相似的细胞中，究竟是什么机制决定了只有少数细胞能够“脱颖而出”成为领头细胞？传统的观点认为，这可能是细胞内生化信号随机波动或细胞外化学信号梯度作用的结果。然而，近年来的研究发现，生物力学因素扮演了关键角色：在细胞群体内部，细胞与细胞之间、细胞与基质之间的作用力会形成特定的应力场，应力高度集中的位置更有可能催生领头细胞。与此同时，小G蛋白Rac1的极化激活是领头细胞形成片状伪足所必需的生化事件。那么，连接力学刺激（细胞间的拉力）与生化响应（Rac1激活）之间的桥梁究竟是什么？这个问题的答案一直模糊不清。

发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上的这项研究，为我们揭示了细胞内一个意想不到的主角——溶酶体（lysosome）。长期以来，溶酶体被视为细胞的“回收站”，主要负责降解废物。但新研究证明，它远不止于此。在集体迁移的细胞中，溶酶体能够感知机械力，并像一辆辆“信号货车”一样，沿着微管（microtubules）轨道被运输到细胞前沿，通过与Rac1相互作用，直接调控片状伪足的形成，从而精确控制领头细胞的涌现。这项研究由来自塔塔基础研究所海得拉巴分校（Tata Institute of Fundamental Research Hyderabad）的Rituraj Marwaha、Tamal Das等研究人员完成，他们将溶酶体推向了细胞迁移研究舞台的中央，展现了其作为机械化学信号转导枢纽的全新角色。

为了深入探究这一机制，研究人员综合运用了多种关键技术方法。他们建立了多种模型系统来模拟集体迁移过程，包括经典的上皮细胞（MDCK和EpH4-Ev细胞）划痕愈合实验、离体（ex vivo）的小鼠胚胎皮肤切口模型以及果蝇（Drosophila）胚胎显微注射创伤模型，确保了研究结果在体内外的普遍性。通过高分辨率活细胞成像技术，他们实时动态地观察了溶酶体与肌动蛋白细胞骨架的协同变化。为了精确操控细胞器的位置，研究团队采用了可逆马达蛋白关联（RAMP）系统，通过基因工程手段特异性地将溶酶体驱赶到细胞外周或核周区域。此外，他们还利用光遗传学工具（Opto-GEF）在单细胞水平精准地调控RhoA活性以模拟机械力变化，并采用荧光共振能量转移（FRET）技术定量检测Rac1的活性。药理学抑制剂（如破坏微管的诺考达唑nocodazole、紫杉醇taxol，抑制肌球蛋白II的blebbistatin，抑制ROCK的Y-27632，以及特异性干扰溶酶体驱动的kinesore）和分子生物学方法（如显性负性突变体SKIP WD->2XA）也被用于干扰特定的细胞过程。同时，免疫荧光染色、细胞器分级分离、蛋白质免疫印迹以及定量的图像分析（如外周占据分数POF和边缘平均分布MDE）为结论提供了坚实的证据。

研究结果

溶酶体在多种伤口愈合模型领头细胞的前沿积累

研究人员首先在果蝇胚胎、小鼠胚胎皮肤伤口以及培养的上皮细胞单层（MDCK）等多种生理相关模型中发现了一个共同现象：在迁移前沿的领头细胞中，溶酶体显著地聚集在细胞边缘，特别是正在延伸的片状伪足区域。定量分析显示，领头细胞中溶酶体的外周占据分数（POF）显著高于迁移前沿的非领头细胞。活细胞成像进一步揭示，溶酶体的这种外周积累与片状伪足的形成在时空上高度协同——片状伪足总是在溶酶体富集的区域生长，而在溶酶体缺失的区域则发生收缩。

溶酶体沿微管运输驱动其外周积累

这种积累并非由于新溶酶体的合成增加（转录因子EB/TFEB未入核），而是源于溶酶体的主动运输。微管在迁移细胞前沿同样发生极化排列。用药物（诺考达唑）破坏微管或用紫杉醇稳定微管，都会阻止溶酶体的外周定位，并显著减少领头细胞的出现。更重要的是，通过表达一个无法结合驱动蛋白（kinesin）的溶酶体接头蛋白SKIP的突变体（SKIP WD->2XA），可以特异性破坏溶酶体的运输而不影响微管结构，同样导致溶酶体外周积累减少。这表明溶酶体的外周定位依赖于微管介导的主动运输过程。

溶酶体外周积累是领头细胞出现所必需的

为了验证因果关系，研究人员使用了化学抑制剂kinesore来干扰溶酶体驱动蛋白KLC2与SKIP的相互作用，迫使溶酶体聚集在核周。这导致领头细胞形成减少，集体迁移速度减慢。更具说服力的是利用RAMP系统对溶酶体位置进行精确操控。当人为地将溶酶体锚定到细胞外周时，该细胞成为领头细胞的概率大幅提升（约55%）；反之，当将溶酶体拉回核周时，细胞形成片状伪足的能力被抑制，成为领头细胞的概率极低（约7%）。而同样操作将线粒体或内质网进行外周或核周偏向性定位，则对领头细胞出现没有影响，突出了溶酶体在此过程中的独特作用。

肌动球蛋白收缩力产生的细胞力驱动溶酶体外周定位

那么，是什么信号启动了溶酶体的外周运输？研究发现，抑制肌动球蛋白的收缩性（使用blebbistatin或Y-27632）会消除溶酶体的外周积累。在模拟领头-追随者相互作用的细胞对实验中，溶酶体在对照细胞中会极化到远离细胞-细胞接触面的外周区域；而用blebbistatin抑制收缩力后，这种极化消失，溶酶体弥散分布；撤除药物后，极化能力可部分恢复。利用光遗传学工具（Opto-GEF）特异性激活单个细胞内的RhoA以增强其收缩力，可以观察到相邻细胞中的溶酶体有向外周（远离被激活细胞一侧）移动的趋势。此外，在具有特定几何形状（如单个“喙”状突起）的微模式伤口中，机械力集中 的“喙”尖端区域也显示出最强的溶酶体积累和片状伪足形成。这些结果共同表明，细胞所承受的机械力是溶酶体极性定位的关键上游信号。

Rac1 GTPase搭乘溶酶体膜

溶酶体到达细胞外周后如何促进片状伪足形成？研究人员将目光投向了调控肌动蛋白聚合的关键小G蛋白。通过筛选，他们发现GDP结合形式的失活Rac1（Rac1-DN, T17N）与溶酶体存在共定位，而激活形式的Rac1（Rac1-CA, Q61L）则主要位于细胞膜。内源性Rac1的染色以及细胞器分级分离实验均证实了Rac1与溶酶体群体的关联。活细胞成像和光转换实验提供了更动态的证据：光转换后的mEos-Rac1（WT和DN）会形成点状结构，这些点状物与附近的溶酶体融合并一起运动，仿佛Rac1“搭乘”着溶酶体进行运输。

溶酶体定位调控Rac1活性

最关键的一步在于，溶酶体的位置直接影响Rac1的活性。当用kinesore处理细胞迫使溶酶体位于核周时，利用FRET Rac1活性传感器进行检测，发现迁移2小时后细胞前沿的Rac1活性显著低于对照组。这表明，外周定位的溶酶体对于维持迁移前沿局部的高Rac1活性是必需的。

结论与意义

这项研究成功地构建了一个从机械力到细胞行为的完整信号通路（图7）。在集体迁移的上皮组织中，机械应力通过肌动球蛋白细胞骨架传递，指示特定细胞（未来的领头细胞）将溶酶体沿微管大量运输至细胞前沿。这些外周溶酶体并非被动的乘客，它们通过携带Rac1 GTPase，并在局部调节其活性，从而高效地启动片状伪足的形成，最终促使领头细胞的出现。这不仅解释了为何领头细胞会在应力集中的位置产生，更将溶酶体的功能从传统的降解中心拓展至机械信号感受器和信号转导平台。

该研究的发现具有广泛的生理和病理意义。从伤口愈合、胚胎发育到癌症转移，许多过程都依赖于集体细胞迁移。溶酶体-Rac1信号轴可能是一个进化上保守的核心机制。尤其值得注意的是，在癌症侵袭过程中，肿瘤细胞也经常采用集体迁移模式，并且溶酶体的外周定位已被发现与癌细胞的侵袭性相关。因此，针对溶酶体运输或其在机械信号转导中功能的干预，可能为未来开发抑制癌症转移的新策略提供思路。总之，这项工作改变了我们对溶酶体这一经典细胞器的认知，将其置于细胞迁移调控网络的中心位置，为理解生命的基本过程打开了新的窗口。