專訪范德堡大學研究團隊：專註探索細胞微管的未知作用

生物通報道：微管（microscopic）是細胞骨架的組成部分，起源於中心體（centrosome）。2007年6月，范德比爾特大學醫學院IrinaKaverina博士帶領的研究小組，在微管起源研究中獲得了重大突破。他們發現高爾基體（Golgi apparatus）是微管的另一個起源，指出了一種可能指導細胞運動和癌細胞入侵的新細胞機制。這一成果刊登於國際著名學術期刊《Developmental Cell》。（相關閱讀：高爾基體被證實是另一個微管形成中心）

在此之後經過了八年的深入探索，該研究小組又在《Developmental Cell》上發布了一項令人驚訝的研究結果，他們報道稱，微管——細胞中的「高速公路」，在胰腺β細胞中發揮一個令人驚訝的作用，它們不是促進葡萄糖刺激的胰島素分泌，而是對其有限制作用。（相關閱讀：華人學者：控制胰島素分泌的細胞閥）

為了更進一步了解這項重要的研究成果，生物通特地聯繫了第二篇論文的第一作者朱曉東博士、以及這兩篇論文的通訊作者Irina Kaverina博士（以下簡稱范德堡小組），就讀者感興趣的問題進行了探討。

生物通：你們的研究為何要關注微管這個細胞結構？又是如何將微管與胰島素分泌聯繫到一起的？

范德堡小組：這項工作是延續我們2007年的一項研究，當時包括生物通在內的多家媒體也進行了報道（相關閱讀：高爾基體被證實是另一個微管形成中心）。 在2007年的工作中，Kaverina博士發現高爾基體能組織微管，而不僅是傳統觀點上認為的中心體組織微管。那麼隨之而來的重要問題就是，這種從高爾基體組織的微管，在體內正常細胞中到底有什麼重要的生物學功能。這是我們最初想回答的問題。

我們原本的計劃是分門別類、在有不同生物學功能的細胞中各選取一到兩種，比如內分泌細胞，外分泌細胞，神經細胞……，我們當時的假設是，高爾基體組織的微管在細胞內的運輸過程中起到了至關重要的作用。高爾基體生成的囊泡，特異地通過高爾基體微管運送至細胞膜附近，繼而釋放。我們知道，內分泌、外分泌、以及神經細胞中，這種分泌功能十分旺盛。胰島素分泌細胞——beta細胞，是我展開實驗的第一種細胞。這種細胞有非常重要的生理學功能。胰島素分泌受損引起糖尿病。而目前全世界有3億五千萬糖尿病患者。因此我們認為，我們的研究有可能發現改善beta細胞功能、治療糖尿病的方法。

生物通：你們為什麼說第二項研究結果是非常令人驚訝的？

范德堡小組：因為按照傳統的細胞生物學理論，微管是細胞內囊泡運輸所必需的。在beta細胞中，胰島素首先在位於細胞中心的高爾基體加工，包裝，形成胰島素顆粒，並以出芽方式離開高爾基體。胰島素顆粒在釋放前，必須首先到達細胞膜。長期存在的理論是，微管是胰島素顆粒從高爾基附近運向細胞膜的「高速公路」。雖然這一理論並沒有直接的實驗證據，但一直以來它卻深入人心，糾其原因主要是因為這一理論與傳統的細胞生物學模型是一致的。

剛開始研究時，我們對這一假說也深信不疑。按照傳統模型，如果beta細胞沒有微管，胰島素顆粒將不能有效的運輸到細胞膜附近。這種情況下，葡萄糖刺激後胰島素的分泌應該減少，因為細胞膜附近沒有足夠的胰島素顆粒。但我們非常震驚地發現，當我們用藥物破壞了微管後，葡萄糖刺激後胰島素的分泌不僅沒有降低，反而升高了。這一結果，完全與當時的理論不符合，根本令人無法理解。我們三個不同實驗室分別獨立的重複了這一實驗幾十次，所有實驗結果非常一致的顯示，微管對胰島素的分泌起到了負調控。這一結果確實非常奇怪，與許多實驗室以前發表的結果也不同。我們認為有以下因素造成了這一差異：（1）我們實驗中使用了胰島細胞，而不是beta細胞系。細胞系有可能在培養過程中喪失了精準調控胰島素分泌的能力。（2）我們實驗中用來衡量胰島素釋放的參數是，釋放胰島素占胰島內胰島素總量的百分比（釋放胰島素／總胰島素），而不是僅僅檢測胰島素釋放的絕對量。這一參數的使用，使得我們可以不受不同細胞內胰島素本身含量多少的影響。（3）我們實驗室有全世界領先的活細胞成像技術。這一技術使得我們可以用多種方法十分準確的檢測胰島素的釋放。而其他方法經常不能做到。（見下文）

生物通：你們在研究中都使用了哪些技術？

范德堡小組：為了理解微管對於胰島素顆粒運輸的作用，我們使用了SIM顯微鏡（Structured Illuination Microscopy ）來觀察微管在beta細胞中的結構，我們還使用了轉盤激光共聚焦顯微鏡（spinning disk confocal microscopy）來直接觀察胰島素顆粒在細胞內的運輸情況。為了直接用顯微鏡觀察到胰島素顆粒，我們利用我們的轉基因小鼠技術，讓小鼠表達熒光（mcherry）融合的胰島素顆粒。通過這一技術我們發現正常情況下胰島素顆粒在細胞內，完全沒有想像中的從細胞中間向細胞膜運輸的運輸過程，大多胰島素顆粒是沒有方向性的隨機運動。利用全內反射顯微鏡（Total internal reflection microscopy），我們可以特異性地觀察胰島素顆粒與細胞膜的結合，以及沿著細胞膜的運動情況。同時我們可以利用這種顯微鏡直接觀察到每一顆胰島素顆粒的釋放。熒光染料FluoZin可以與新釋放的胰島素顆粒－鋅離子結合。利用這一染料，我們可以在顯微鏡下，實時地觀察到胰島素顆粒的釋放。所有這些不同實驗技術的結果顯示，微管的主要作用是阻止胰島素顆粒靠近細胞膜，從而避免了胰島素釋放過多。

生物通：這項研究後續又開展了哪些工作？

范德堡小組：2016 年開始，Kaverina博士和古博士共同獲得NIH的經費支持，用來展開後續三方面的研究：1葡萄糖是如何增加在高爾基體上的微管的合成；2.葡萄糖是如何使胰島素細胞內微管穩定性降低， 3. 葡萄糖是如何通過影響細胞膜附近的微絲結構從而影響微管的穩定性。4. 我們如何能通過改變微管的穩定性進而增強beta細胞功能，從而首先在模式動物體內治療糖尿病。

作者簡介：

IrinaKaverina，碩士畢業於國立羅蒙諾索夫莫斯科大學，博士畢業於俄羅斯莫斯科醫學科學院，目前是范德堡大學細胞和發育生物學系PI。

朱曉東（Xiaodong Zhu），本科畢業於西北大學生物技術專業，碩士畢業於中國科技大學分子和細胞生物學專業，博士畢業於新加坡國立大學細胞生物學專業。目前就職於范德堡大學細胞和發育生物學系ResearchInstructor。