遷移體的生物學功能研究進展

馬永賓，趙樂羽,2，周丹，張歡妍，姚鑫，馮昱卉,2

(1. 江蘇大學附屬金壇醫院中心實驗室，江蘇 金壇 213200； 2. 江蘇大學臨床醫學院，江蘇 鎮江 212013)

遷移體(migrasome)是在2015年由我國學者俞立教授團隊首次發現并報道的由遷移細胞產生的一類細胞器[1]。細胞在遷移過程中，細胞尾部產生收縮絲的尖端或分叉處會產生膜性結構囊泡(圖1)，將其命名為遷移體[1]，這一產生過程稱為遷移性胞吐。隨著細胞遷移和收縮絲的回縮，遷移體被留在原地脫落，釋放至細胞外空間或直接被鄰近細胞攝取，從而介導細胞質內容物的釋放和細胞-細胞之間的通訊[2]。目前，已證實遷移體存于多種細胞、體液以及組織中，且其生理功能也已在胚胎發育過程中進行了初步的研究探討。隨著遷移體分子細胞生物學功能的不斷揭示，預示著遷移體在血管穩態[3]、機體免疫反應、組織再生和腫瘤轉移等細胞遷移活躍的生物過程中發揮著重要的信號傳遞作用。

圖1 通過掃描電鏡拍攝巨噬細胞(RAW264.7)形成遷移體的典型圖

1 遷移體的發現

Taylor等[4]于1963年首次通過透射電鏡觀察到遷移細胞從基質中回縮后呈現出長管狀結構，后將其命名為“收縮絲”，但是其并未對收縮絲尖端的囊泡樣結構進行報道。2015年，俞立教授團隊從細胞原位透射電鏡中觀察到直徑為0.5～3.0 μm的單層膜的囊泡樣結構，其內在富含數量不等的小囊泡，這些結構類似于開放的石榴，故將其命名為“石榴體(pomegranate-like structures, PLSs)”，通過掃描電鏡發現其附著于收縮絲上[1]。Ma等[1]通過梯度密度離心法將PLSs分離并通過質譜分析鑒定其可能的蛋白組成，隨后通過GFP熒光標記富集蛋白質并定位，最終鑒定四跨膜蛋白家族-4(tetraspanin-4, TSPAN4)是PLSs中高度富集的蛋白標志物，定位于細胞膜和細胞膜表面伸出的收縮絲上。在細胞遷移的過程中，細胞的尾部出現很長的收縮絲，且在尖端或分叉處形成PLSs，最終收縮絲回縮斷裂，PLSs則釋放到介質中，其存在的平均生命周期約為400 min，最終破碎消失。鑒于PLSs的形成取決于細胞遷移過程，故正式命名為“遷移體”。

2 遷移體的形成機制

2.1 整合素和細胞外基質結合介導遷移體形成

遷移體的形成取決于細胞遷移過程，而細胞遷移依賴于細胞外基質(extracellular matrix，ECM)的黏附作用。事實上，纖連蛋白包被的培養皿，不僅提高了細胞遷移速率，同時也增加了黏附于培養皿底部遷移體的數量；反之，則減少遷移體的數量和阻斷遷移體的再形成[1]，提示遷移體的形成可能受到參與調節細胞-細胞或細胞-基質之間的蛋白分子調控。Wu等[5]發現，整合素α5β1富集在遷移體底部，且其出現在收縮絲上的時間點顯著早于遷移體的形成。這種分布模式進一步支持了整合素是遷移體形成的重要功能分子。然而，不同的整合素與不同ECM蛋白結合，并且每種ECM蛋白在特定生物體中具有特定的時空分布模式。因此，整合素與特定ECM蛋白結合可能是遷移體形成的關鍵因素。正如在富含整合素α5的大鼠腎臟細胞(NRK細胞)中，纖連蛋白是促進遷移體形成的最佳ECM[5]；另外，在富含整合素α1的中國倉鼠卵巢細胞(CHO細胞)中，與其親和度最高的Ⅳ型膠原蛋白顯著增強了遷移體的形成，但其他ECM相關蛋白卻未參與[5]。從機制上講，當細胞遷移時，整合素使細胞遷移成為可能，并且整合素與其特異性ECM伴侶蛋白的配對為收縮絲提供了黏附力，逐漸在遷移細胞的后方產生收縮絲，最終形成遷移體。最近，Lu等[6]研究再次印證了上述結論，即遷移體形成取決于細胞黏附和遷移的共同作用，且提出了細胞與ECM的黏附可調節收縮絲上的張力，而收縮絲適當的張力是遷移體形成的先決條件。這些研究表明，整合素與特定ECM伴侶蛋白配對以獲得適當的黏附能力是遷移體形成的決定因素。同時，遷移體所富集的整合素也為其進入特定受體細胞提供了特異性，這為回答遷移體“從哪來”和“到哪去”的問題提供了可能，以及為遷移體生物學功能的探究提供了理論基礎。

2.2 TSPAN4參與遷移體形成

TSPAN4屬于四跨膜蛋白家族一員，含有4個跨膜結構域。Ma等[1]研究發現，TSPAN4在遷移體中富集度最高且是第一個被用于鑒定遷移體的蛋白標志物。Huang等[7]研究發現，TSPAN扮演的角色不僅僅是用于鑒定遷移體的蛋白標志物。在哺乳動物中，四跨膜家族有33種TSPAN蛋白成員，其中14種TSPAN蛋白成員過表達均可增強NRK細胞中遷移體的形成[7]。然而，敲除最高表達的TSPAN蛋白(TSPAN4)，則損害了NRK細胞和人胃癌細胞(MGC-803細胞)中遷移體的形成，而小鼠成纖維細胞(L929細胞)中TSPAN4的缺乏并沒有損害遷移體的形成，這可能是由于其他TSPAN成員的存在[7]。在遷移體形成過程中對TSPAN4-GFP的研究顯示，TSPAN4能被主動招募到遷移體中，且TSPAN4-GFP的信號強度與遷移體的形成呈正相關。此外，在遷移體體積達到最大尺寸后，遷移體中TSPAN4-GFP的信號將保持不變并處于穩定期，繼而停止富集TSPAN4。這表明TSPAN4可能驅動了遷移體的形成。已經證實，TSPAN蛋白能在膜上形成四跨膜蛋白富集的微結構域(tetraspanin-enriched microdomains, TEM)。Huang等[7]研究發現，遷移體中富含膽固醇，而降低作為TEM的關鍵組分的膽固醇可阻礙遷移體的形成。這提示TSPAN4和膽固醇是遷移體形成所必需的物質。在遷移體的形成過程中，遷移體被許多小TEM成分富集組裝為四跨膜蛋白富集的宏結構域(tetraspanin-enriched macrodomains, TEMAs)，從而有助于收縮絲的生長和遷移體的形成。Huang等[7]建立了體外模擬系統，通過機械應力、液體流動及人工拉伸來形成遷移體和收縮絲。遷移體重建成功后，TSPAN4在遷移體樣結構中高度富集，且在遷移體樣結構中的膽固醇與TSPAN4完全共定位。而當膽固醇或TSPAN4缺失時，未觀察到遷移體樣結構形成，且兩者都隨機分布在收縮絲上，更為重要的是TSPAN4沒有組裝成TEMAs。不僅如此，Huang等[7]通過使用玻璃針向細胞膜施加機械應力以產生收縮絲樣結構。在拉伸過程中，伴隨TSPAN4組裝形成TEMAs，最終自發膨大形成遷移體樣結構。而當缺乏TSPAN4則不能形成遷移體樣結構。這些研究表明，膽固醇和TSPAN4組裝成的TEMAs是遷移體形成的必要條件。此外，Huang等[7]通過建立基礎物理理論模型發現，收縮絲上形成的TEMAs的彎曲剛度顯著高于其他部位，從而導致質膜硬化膨大形成遷移體。原子力顯微鏡測量參數與理論推導計算參數高度一致。這些研究表明，TSPAN蛋白和膽固醇形成的微米級TEMAs能夠介導遷移體形成，且提出膽固醇和TSPAN4是遷移體形成的基本組件，這為研究遷移體的生物學功能與調控機制提供了可靠的參考方法和理論依據。

2.3 細胞遷移模式調節遷移體的形成

前期研究已經表明，遷移體的形成依賴于細胞遷移，其附著在遷移細胞的收縮絲上。最新報道發現，與細胞直線遷移相比，細胞遷移方向的改變則能導致遷移體形成明顯較少[8]。這是由于細胞遷移時，細胞體伸長導致尾部變窄，在細胞遷移過程中不穩定的遷移方向會造成收縮絲的減少，最終導致遷移體形成減少。此外，Fan等[8]進一步研究發現，細胞遷移速度的增加可使形成的收縮絲長度增加，繼而形成更多的遷移體。而去除與維持細胞形狀直接相關的波形蛋白(vimentin)后，便會阻礙細胞的遷移速度和持續性，導致遷移體形成減少。這表明，細胞遷移速度與遷移體形成呈正相關，由此提示細胞遷移模式(遷移方向以及速度)通過調節收縮絲的狀態控制遷移體的形成。

3 遷移體的生物學功能

3.1 遷移體與胚胎發育

斑馬魚胚胎發育過程是第一個成功應用于觀察遷移體在體內生理學功能的模型。Jiang等[9]發現，在斑馬魚原腸胚形成過程中會產生大量遷移體，且主要分布于斑馬魚胚胎中胚層以及內胚層合胞層之間的空間中。進一步研究發現，在敲除TSPAN4a與TSPAN7基因的個體中，遷移體形成減少且斑馬魚胚胎出現左右不對稱發育缺陷。而外源性給予遷移體，僅能部分挽救斑馬魚器官的發育。這提示造成斑馬魚器官發育缺陷可能直接由有缺陷的遷移體形成所致，而非TSPAN4a和TSPAN7等其他影響。值得注意的是，給予外源性注射遷移體也能有效地挽救CXCL12基因敲除斑馬魚胚胎器官發育缺陷。進一步機制研究表明，CXCL12在遷移體中富集并作為化學趨化劑，在胚胎屏障下方的腔內累積，通過CXCL12介導的趨化性，將表達CXCL12受體(CXCR4)的背部先驅者細胞招募到胚胎屏障附近并正確定位，從而協調斑馬魚原腸胚形成過程中的器官形態發育。這項研究是首次在斑馬魚胚胎器官發育中證實遷移體存在的直接證據，且揭示了遷移體作為信號分子通過膜包裝形成完美的信號載體釋放，并建立特定的時空分布，從而發揮協調斑馬魚胚胎器官發育的新機制。在斑馬魚器官發育過程中，涉及背部先驅者細胞遷移的關鍵環節，而這一過程受遷移體的功能調控。這也為其他細胞遷移相關疾病提供了啟示，遷移體很可能在其中扮演重要角色。

3.2 遷移體與線粒體胞吐

最近，Jiao等[10]發現當輕度線粒體應激時，受損的線粒體會易位到遷移體中，最終被遷移細胞清除，這一過程被命名為“線粒體胞吐”。但這一過程不是無序的，而是具有高度選擇性。在線粒體異質性細胞實驗中，從攜帶有正常和突變線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的細胞中分離的遷移體中發現，遷移體內的絕大多數mtDNA是以突變形式存在的。由于突變mtDNA中缺失大量編碼蛋白質的基因，導致線粒體功能受損。這表明功能受損的線粒體會被選擇性地運輸到遷移體中。此外，線粒體胞吐也需要KIF5B、Drp1及Myo-19的協同和級聯功能。線粒體受損募集KIF5B到線粒體上介導其向膜邊緣延伸，一旦到達膜邊緣，線粒體會通過Myo-19將其束縛在質膜的肌動蛋白皮質上，隨后與肌動蛋白皮質結合的管狀線粒體的尖端經歷Drp1介導的線粒體裂變，最終運輸到遷移體中。而且，被運輸到遷移體中的受損線粒體已經喪失了自身的膜電位。因此，線粒體胞吐是遷移體調控線粒體質量控制的過程。而線粒體胞吐也可能具有保護性作用，從而維持線粒體的穩態。Jiao等[10]進一步通過建立中性粒細胞為研究對象的體內模型發現，循環中性粒細胞廣泛產生了大量含有受損線粒體的遷移體。在敲除TSPAN9基因的小鼠中，循環中性粒細胞形成的遷移體數量減少和膜電位顯著降低。更為重要的是，敲除TSPAN9基因小鼠的循環中性粒細胞生存活力明顯降低。以上研究表明，線粒體胞吐對于維持循環中性粒細胞存活至關重要。值得注意的是，線粒體胞吐是通過輕度應激誘發形成的，而在使用誘導線粒體自噬劑量的線粒體氧化磷酸化解偶聯劑作用下，幾乎沒有遷移和線粒體胞吐。這一現象表明，線粒體胞吐和線粒體自噬可以作為兩種系統來維持遷移細胞中的線粒體穩態[10-11]，即線粒體胞吐處理生理條件下的輕度線粒體損傷，而線粒體自噬則處理由病理導致的嚴重線粒體損傷。此外，線粒體受損后活性氧的產生主要發生在線粒體胞吐之前，而線粒體自噬對活性氧引發的線粒體損傷具有保護作用[12]。那么，這兩種獨立系統之間是否存在機制上的關聯。另外，通過遷移體釋放的受損線粒體的最終“命運”如何？這都是未來研究需要重點關注的問題。

3.3 遷移體內容物傳遞

現有證據表明，細胞在遷移過程中釋放的遷移體，會被周圍細胞所攝取，從而傳遞其內在所攜帶的生物活性物質，如蛋白質、mRNA。這表明，遷移體可以介導細胞間的信息“交流”，與小細胞外囊泡(small extracellular vesicle, sEV)的轉運機制有一定的類似之處，即sEV可通過傳遞自身攜帶的細胞內容物至受體細胞，從而影響受體細胞的生物學功能。最近，Zhu等[13]通過基因測序發現，L929細胞源遷移體中高度富集具有翻譯功能的全長mRNA，且這些mRNA與代謝、細胞內運輸、細胞連接、囊泡融合、亞細胞和膜結構組裝等功能高度相關。磷酸酶張力蛋白同源基因(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten，PTEN)作為遷移體中富集度極高的mRNA，在使用遷移體刺激PTEN缺陷的腫瘤細胞后，在腫瘤細胞中檢測到了PTEN的表達且顯著降低了磷酸化AKT(p-AKT)水平，最終抑制腫瘤細胞的增殖。不僅如此，分別使用蛋白酶K去除PTEN蛋白及Triton X-100添加RNA酶去除PTENmRNA處理遷移體的研究中，也進一步證實了遷移體可通過水平轉移PTEN蛋白或mRNA調節細胞的p-AKT水平，而PTEN蛋白主要在早期時間點調節，PTENmRNA則在晚期時間點發揮調節作用。這表明，遷移體可以將自身的內容物(如mRNA和蛋白)轉運至受體細胞，從而通過基因修飾或蛋白本身調節受體細胞的生物學功能。此外，Liu等[14]分離人類足細胞中的遷移體，通過基因測序發現遷移體也同樣富集了高豐度的miRNA。隨著遷移體富含的生物活性組分的不斷鑒定，其生物學功能仍有待闡明，尤其是在生理和病理條件下的功能作用。

4 遷移體與臨床疾病

目前，盡管遷移體的生物學功能在不斷刷新人們的認知，然而很大程度上其與臨床疾病的關系仍不明確。現有報道顯示[15]，人腦卒中組織中存在遷移體，高鹽膳食會導致缺血性腦實質中遷移體的形成增加，然而具體功能機制仍有待闡明。Liu等[14]發現，足細胞損傷后會釋放大量的遷移體且可被作為足細胞早期損傷的非侵入性的生物標志物，這對于腎病發生的早期診斷具有重要意義。另外，還提出Rac-1抑制劑可以通過阻斷足細胞遷移體的形成來保護足細胞免受損害。鑒于目前遷移體在介導細胞間通訊以及維持細胞穩態功能方面的重要作用，不難預見，遷移體可能參與血管穩態[3]、機體免疫反應、組織再生和腫瘤轉移等細胞遷移相關疾病，具體機制有待進一步探索和揭示。

5 遷移體與外泌體的異同

外泌體是一類具有膜結構的sEV，并可由多種細胞類型分泌[16- 17]。同樣具有膜結構的遷移體與sEV看似相似。但事實上，遷移體與sEV有著本質上的不同(表1)，首先，兩者之間的釋放過程不同，遷移體涉及細胞內容物易位，通過收縮絲回縮斷裂釋放，而sEV則通過多泡體與質膜的融合并釋放[18]；其次，兩者的直徑不同，遷移體直徑為0.5～3.0 μm，且內在包含數量不等的小囊泡，而sEV直徑為30～100 nm[16]；此外，兩者的蛋白標志物不同，如遷移體特異性表達N-脫乙酰基酶/N-硫酸基轉移酶1(N-deacetylase/N-sulfotransferase 1, NDST1)，糖基磷脂酰肌醇錨定生物合成K類(phosphatidylinositol glycan anchor biosynthesis, class K, PIGK)，羧肽酶Q(carboxypeptidase Q, CPQ)和EGF結構域特異性O-連接的N-乙酰氨基葡萄糖轉移酶(EGF domain-specific O-linked N-acetylglucosaminetransferase, EOGT)，但在sEV中不存在或幾乎檢測不到，且遷移體表達的TSPAN4/7和整合素α1，α3，α5，β1等可以作為遷移體的基本結構標志物[1, 9,15,18]；另外，兩者所攜帶的內容物不同，如蛋白質組學分析兩者僅有27%(158個)蛋白質相同[18]，基因測序分析兩者具有不同的miRNA富集[14]。以上研究提示，遷移體是一類獨特的囊泡，且被認為是一種新型細胞器[1]。da Rocha-Azevedo等[2]發表的評論文章支持遷移體是一類新的和結構上不同于sEV樣囊泡，并提出細胞是通過遷移體向外釋放內容物的一種新途徑的觀點。目前，在遷移體檢測方面，除原位透射電鏡和熒光顯微鏡之外，俞立教授課題組最近開發了一種快速、方便的基于小麥胚芽凝集素(WAG)熒光探針來檢測固定細胞和活細胞中的遷移體[19]。

6 結語

近幾年，遷移體生物學功能的認知已得到廣泛關注且已成為細胞生物學研究的新領域。相對于與遷移體同樣具有膜結構的sEV而言，遷移體目前的研究尚處于初始階段，其具體的生物發生和調控的分子機制是需要盡快解決的問題。已有研究闡明，遷移體的內容物中負載有較為豐富的mRNA、蛋白及miRNA，而這些內容物是如何有選擇地進入遷移體？此外，這些內容物可被周圍細胞所攝取，這種功能形式是否是機體生理條件下發生的相關事件？遷移體在臨床疾病的發生和發展中的作用仍有待進一步發掘。然而，不爭的事實是，已有證據顯示，遷移體可能參與細胞遷移相關疾病的發生和發展，這對于臨床疾病的診斷和治療具有巨大的應用潛力，而這種臨床應用需要通過揭示遷移體在生理和病理過程中的作用才能夠得以發揮。