在活细胞内可视化囊泡活动，发现两种囊泡融合机制 新闻稿2024年4月5日 开发出了利用包裹小鼠胚胎的卵黄囊细胞，用荧光物质标记在细胞内进行物质输送等的囊泡，将其融合过程可视化的技术。 据此，通过观察囊泡的融合过程，发现融合有两种不同的方式，另外，细胞骨架肌动蛋白参与其控制。 细胞从外界吸收物质，包裹在称为内体的囊泡中，在细胞内输送。 在转运过程中，囊泡会与囊泡之间或其他细胞内小器官融合，但许多细胞由于其大小小而难以观察融合过程，其调控机制尚不清楚。 本研究着眼于小鼠胚胎最外层的脏侧内胚层细胞，通过用荧光物质标记核糖体，在显微镜下成功观察了其融合过程。 据此，我们发现，核糖体的融合有两种方式，一种是两个核糖体迅速融合成为一个囊泡的“同型融合”，另一种是缓慢被溶酶体吸收的“异型融合”。 利用膜的力学模型对囊泡融合过程进行了数理分析，发现囊泡大小决定了融合模式，囊泡小时发生同型融合，囊泡增大时发生异型融合，而囊泡膜受到晃动力作用时，大尺寸也会发生同型融合 核糖体上结合有被称为肌动蛋白的细胞骨架蛋白质，肌动蛋白产生了促进同型融合的波动力。 另外，明确了促进肌动蛋白翻转的茶碱和与肌动蛋白相互作用的肌球蛋白也对囊泡融合很重要。 通过使用该观察系统，可以期待阐明控制细胞内囊泡融合和运输过程的机制。 研究代表 筑波大学医学医疗系桝正幸教授 富山大学学术研究部工学系小池诚一特命助教 横滨市立大学理学部立川正志副教授 自然科学研究机构生命创成探究中心/生理学研究所根本知己教授 研究背景 细胞从外界吸取营养物质等加以利用。 这种作用被称为内吞注1 )，细胞膜被吸入细胞质内，吸入物质，细胞外液体将物质吸入细胞内。 被摄取的物质被称为脂质体注2 )的小囊状结构包裹，转运到细胞内小器官注3 )。 核糖体负责对摄取的物质进行分类，并向溶酶体注4 )等细胞内小器官运输。 通过被核糖体等膜包裹的袋状结构(囊泡)的物质运输(囊泡运输注5 )是细胞功能的基础，了解其结构对于理解细胞是重要的。 在囊泡运输的过程中，细胞内囊泡会与囊泡之间，或者与其他细胞内小器官融合，但是很多细胞由于囊泡的尺寸小，用显微镜很难观察到每个融合过程，因此不太清楚融合的控制机制。 研究内容和成果 在本研究中，将发生早期(胎儿8.5天左右)的小鼠胚胎以活着的状态取出，让标记内体的荧光物质进入后，使用显微镜进行了观察。 通过这种方法，我们成功地观察了小鼠胚胎最外层的卵黄囊注6 )在被称为脏侧内胚层细胞的细胞内的核糖体融合。 脏侧内胚层细胞在胎盘形成之前，由于有从母亲的子宫向胚胎输送大量养分的作用，所以内吞很活跃，在细胞内有非常大的内吞，所以很容易观察。 另外，已知在脏侧内胚叶细胞中，从顶端部通过内吞进入物质，用细胞内深层的溶酶体分解，将分解后的营养物质从细胞底部分泌并传递到胚胎(图1 )。 利用此次开发的技术观察肝脏侧内胚层细胞时，发现后期内胚体融合有两种融合方式:核糖体彼此融合的“同型融合”注7 )和核糖体融合的“异型融合”注7 )。 同型融合中，当两个后期核糖体接触形成小孔时，其孔迅速扩大成为一个小泡，而异型融合中，可以观察到后期核糖体和溶酶体之间形成的小孔不扩大，后期核糖体缓慢被溶酶体吸收 利用力学模型对囊泡融合过程进行了数理分析，发现囊泡大小主要决定融合方式，大小较小时发生同型融合，较大时发生异型融合。 心脏侧内胚层细胞的后期核糖体很大，理论上应该会发生异型融合，但即使在这种情况下，如果使细胞骨架和马达蛋白质注8 )的“波动力”注9 )作用于膜上，也可以战胜大小效应，诱导同型融合。 进而，使用激光共聚焦显微镜详细调查了心脏侧内胚层细胞的囊泡结构，发现在后期内侧核糖体的表面结合有被称为肌动蛋白注10 )的细胞骨架蛋白质，与后期内侧核糖体结合的肌动蛋白含有从细胞顶端部向底部延伸的纤维和后期内侧 肌动蛋白在肌肉细胞中与肌球蛋白注11 )一起作用，已知与肌肉的收缩有关，但也存在于肌肉以外的细胞中，与形态形成、细胞分裂、囊泡运输等各种生物现象有关。 如果使用药物阻碍肌动蛋白的聚合，同型融合的频率和速度就会降低，如果作用高浓度的药物，就会变成与异型融合相似的融合方式，由此认为肌动蛋白产生了促进同型融合的力。 使用各种肌球蛋白抑制剂后，同型融合和异型融合的频率都会减少，由此可见，在肌肉以外的细胞中工作的种类的肌球蛋白在囊泡融合中是必需的。 而且，由于切断丝切蛋白促进聚合·脱聚的蛋白质- -胆碱注12 )的功能受到阻碍的话，同型融合的频率就会减少，因此，基于丝切蛋白的丝切蛋白动态控制被认为对囊泡融合很重要。 今后的发展 通过建立将核糖体在活细胞内融合过程可视化的实验系统，可以调查控制囊泡融合的分子机制。 特别是，老鼠初期胚可以在培养的同时使各种药物发生作用，所以如果调查活化或阻碍在细胞内工作的分子的作用时的效果，就可以明确调节囊泡融合的机制。 另外，通过使用各种基因修饰小鼠的胚胎，可以明确各自基因在囊泡运输中的作用。 众所周知，囊泡运输发生异常会导致神经疾病、免疫性疾病、糖尿病等，本研究不仅有助于阐明基本的细胞功能，也有望阐明各种疾病的发病机制。 参考图

图1内切体可视化 用荧光物质标记怀孕第8天的小鼠胚胎后，用显微镜观察心脏侧内胚层细胞，可以观察到从细胞外摄取的物质经过初期内胚体、后期内胚体被运送到溶酶体。

图2核糖体的两种融合方式 据了解，核糖体融合包括两个核糖体(绿色)快速合并为一个囊泡的同型融合(上段)和核糖体缓慢被溶酶体(红色)吸收的异型融合(下段)。 这2种融合与使用力学模型的数理分析中预想的非常相似。

图3本研究明确的囊泡融合机制 在脏侧内胚层细胞中，最先在表层发生同型融合，其次在深层发生异型融合。 研究表明，囊泡的融合需要借助与后期核糖体表面结合的肌动蛋白纤维的力，调节肌动蛋白作用的蛋白质也起着重要的作用。 用语解说 注1 )内吞 细胞从细胞外摄取物质。 由于具有极性的大分子不能穿过脂质双层细胞膜，以与细胞膜上的受体结合的形式，细胞膜被吸入细胞质内，或者连同细胞外液一起被吸入囊泡内，物质被吸入细胞内。 注2 )缀合物 细胞内囊泡之一。 与通过内吞进入细胞内的物质的分选运输有关。 从形态和功能特征来看，大致分为初期内侧核糖体、后期内侧核糖体、回收内侧核糖体。 初始核糖体对进入的物质进行分类，后期核糖体通过与溶酶体融合将内容物导向降解。 回收内芯体将一次吸入的物质再次返回细胞外。 注3 )细胞内细胞器 由存在于真核生物细胞内的囊泡体、高尔基体、线粒体等生物膜划分的结构。 承担蛋白质的合成修饰和能量产生等作用。 它们都被生物膜覆盖，各自的细胞内小器官所需物质的交换通过囊泡运输进行。 注4 )溶酶体 进行物质分解的细胞内小器官。 是被膜包裹的结构，内部含有很多水解酶，分解蛋白质、糖、脂肪等，供再利用。 注5 )囊泡转运 在细胞内通过囊泡运输物质的机制。 真核细胞内有细胞内小器官，各细胞内小器官所需的物质包装在由脂双层膜构成的小袋子(囊泡)中运输。 囊泡从细胞内小器官的膜中出芽，在细胞内移动，反复融合到其他细胞内小器官中，细胞输送物质。 2013年，3名美国研究人员发现了这一控制机制，获得了诺贝尔生理学或医学奖。 注6 )卵黄囊 发生初期包裹胚胎的膜结构。 位于胚的外侧，与母体组织相接的脏侧卵黄囊由2层细胞层组成。 外层的脏侧内胚层细胞在胎盘完成之前，从母胎向胚胎提供营养，内层的中胚层细胞在体内最先产生血液细胞。 注7 )同型融合和异型融合 同种类型的囊泡融合，如后期核糖体融合，称为同型融合；不同类型的囊泡融合，如后期核糖体融合，称为异型融合。 注8 )马达蛋白 是利用ATP水解的能量在细胞内负责囊泡运输、细胞内小器官的移动、细胞的收缩、染色体的分离等运动的蛋白质的总称。 注9 )波动力 在此，指的是相当于引起膜变形的力的数学模型中的变量。 注10 )肌动蛋白 是形成细胞骨架的蛋白质之一，单体的球状肌动蛋白螺旋状连接形成纤维状肌动蛋白。 肌肉细胞中与肌球蛋白一起引起肌肉收缩，但除肌肉以外的所有细胞中也存在，与囊泡运输、形态形成、吞噬等多种细胞功能相关。 通过聚合或脱聚肌动蛋白的因子的作用调节功能。 注11 )肌球蛋白 在肌动蛋白上运动的马达蛋白质。 有很多种，承担肌肉收缩、细胞运动、囊泡运输等作用。注12 )茶碱 引起肌动蛋白纤维断裂、解聚的蛋白质。 促进肌动蛋白纤维的翻转。 研究资金 本研究是作为科研经费的研究项目( 17024006、JP22H04926 )以及武田科学振兴财团研究资助的一环实施的。 高分辨率显微镜分析是在科研经费“学术变革领域研究(学术研究支援基础形成)”的“尖端生物成像支援平台”的支持下实施的。 刊登论文 标题actin dynamics switches two distinct modes of endosomal fusion in yolk sac visceral endoderm cells (肌动蛋白动力学在卵黄囊侧内胚层细胞中两种不同的核糖体融合样 作者名称sei ichi koike 12，3，masashi tachikawa 4，5，moto suke tsutsumi 6，7，takuya okada 1，2，tomomi ne moto 6，7，kazuko keino-Mato 1 graduate school of comprehensive human sciences，University of Tsukuba 2 department of molecular neurobiology，Institute of Medicine，University of Tsukuba 3 laboratory of molecular and cellular biology，graduate school of science and engineering for research，University of Toyama 4 graduate school of nano bioscience，Yokohama City University 5PRESTO，Japan science and technology agency 6资源中心on life and living systems ( excells )，national institutes of natural sciences 7 national institute for physiological sciences，national institutes of natural sciences 刊登杂志 eLife 刊登日期 2024年3月18日(在线先行公开) DOI 10.7554/eLife.95999 咨询处 【研究相关事宜】 桝正幸 筑波大学医学医疗系教授 【采访报道相关事宜】 筑波大学宣传局 富山大学总务部宣传基金室 横滨市立大学总务科宣传担当 生命创建探索中心研究战略室 生理学研究所研究力强化战略室