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为探究细胞内膜系统动态行为，研究者利用原位冷冻电镜断层扫描（cryo-ET）研究哺乳动物细胞，发现 “半融合体（hemifusomes）” 及 42nm 蛋白脂质纳米滴（PND），提出 ESCRT 非依赖的多囊体（MVB）形成模型，为膜交通研究提供新视角。
细胞内的膜结构如同精密运作的工厂，承担着物质运输、信号传递等关键任务。其中，内体、溶酶体等组成的内膜系统通过膜融合、出芽和断裂等动态过程维持细胞稳态。然而，传统电镜技术因固定和染色的局限性，难以捕捉膜融合中间体如半融合结构等瞬态相互作用，导致对多囊体（MVB）等重要结构的形成机制理解不足。例如，内体腔内囊泡的形成过程中，膜重塑的中间结构和调控机制一直缺乏直接的原位观察证据，这成为阻碍该领域深入发展的关键问题。
为填补这一空白，美国国立卫生研究院（National Institute on Deafness and Other Communication Disorders, National Institutes of Health）和弗吉尼亚大学（University of Virginia）的研究人员开展了相关研究。他们利用原位冷冻电镜断层扫描技术（cryo-ET），在四种哺乳动物细胞系中发现了一种新型囊泡细胞器复合体 ——“半融合体（hemifusomes）”，并揭示了其在多囊体形成中的关键作用。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为理解细胞内膜系统的动态调控提供了全新视角。
研究者主要采用的关键技术包括：
- 原位冷冻电镜断层扫描（cryo-ET）：用于观察接近天然状态的细胞结构，获取高分辨率三维结构信息。
- 金纳米颗粒追踪实验：通过不同尺寸和功能化的金纳米颗粒，探究半融合体与内吞途径的关系。
观察到半融合囊泡的存在
在玻璃化的哺乳动物细胞（COS-7、HeLa、RAT-1 和 3T3 细胞）周边，利用 300kV 的 Krios 冷冻电镜观察发现，除了常见的内体、多囊体等结构外，还存在两种未被描述的囊泡对构象：一种是较小囊泡半融合于较大囊泡的细胞质侧，另一种是腔内囊泡半融合于较大囊泡膜的管腔侧。这些半融合细胞器在四种细胞类型中均有观察到，其频率高达细胞周边膜结合细胞器总数的 10%。半融合体的较大囊泡 lumen 呈现细颗粒质地，而较小囊泡则具有光滑半透明内容物，这与其他囊泡细胞器明显不同，仅与多囊体内的部分腔内囊泡相似。
半融合囊泡的冷冻电镜断层扫描分析
通过低剂量倾斜系列图像采集进行冷冻电镜断层扫描，证实了囊泡对界面处存在共享的双层膜，即扩展的半融合隔膜（HD），这是一种理论上存在但在完整细胞中罕见的融合中间体。三维断层重建显示，在半融合隔膜边缘常存在一个致密的纳米滴，嵌入双层膜的疏水内部，其直径约为 42nm，由蛋白质和脂质组成，称为蛋白脂质纳米滴（PND）。此外，半融合体的形态多样，包括直接半融合和翻转半融合两种构型，且其大小、半融合隔膜的半径和曲率存在差异，显示出不同程度的半融合区域径向扩展。
半融合体腔内容物与其他细胞器的比较
半融合体较小囊泡的光滑半透明内容物与其他已知囊泡细胞器（如内体、网格蛋白包被囊泡等）的内容物不同，仅与多囊体中的部分腔内囊泡相似。金纳米颗粒追踪实验显示，半融合体不参与转铁蛋白的内吞途径，提示其可能是一类独立于经典内吞途径的囊泡结构。
半融合体的形态变异与蛋白脂质纳米滴的作用
半融合体的半融合隔膜厚度与典型膜相当，约 4nm。其形态变异可能受膜的生物物理性质和局部物理约束影响，如周围肌动蛋白丝和微管的挤压。PND 不仅存在于半融合体中，还可游离于细胞质或与单个囊泡结合，推测其作为膜构建模块的枢纽，通过提供脂质和蛋白质成分，引发半融合体的形成和囊泡的从头生成。
复合半融合体与多囊体形成的关系
约四分之一的半融合体为复合半融合体，即初始半融合囊泡对与一个或多个额外囊泡形成半融合构象。这些复合结构可能通过多次半融合事件聚集成复杂结构，随后囊泡翻转至较大囊泡的管腔侧并断裂，为腔内囊泡的形成提供了一种不同于经典 ESCRT 途径的新机制。
研究结论与讨论
本研究利用原位冷冻电镜断层扫描技术，首次在哺乳动物细胞中发现了半融合体这一新型囊泡细胞器复合体，其由半融合的异质性囊泡和蛋白脂质纳米滴组成。研究表明，半融合体可能作为囊泡生物发生的平台，通过 PND 介导的机制参与多囊体的形成，提出了一种不依赖 ESCRT 的多囊体形成模型。这一发现不仅补充了细胞内膜系统动态调控的理论，还为理解膜交通失调相关疾病（如神经退行性疾病、癌症等）提供了新的靶点和思路。未来研究需进一步探索半融合体在其他细胞区域的存在及其分子机制，以全面揭示其在细胞生理和病理中的作用。
