SMS2斑點在遷移體生成中的關鍵作用

2012年，俞立教授在NRK細胞（大鼠腎上皮細胞）的電鏡圖片中無意間發現了一些不尋常的結構，它們是一個在細胞外類似于 “開口石榴”的囊泡結構，有膜包被，內部有很多小囊泡，大小在0.5-3 μm。這個新型結構的發現，引起了俞立教授團隊的研究熱情。關于這一新細胞器的研究就此拉開了序幕。

細胞在遷移時會留下收縮絲，而在收縮絲的頂端或分叉處，能形成遷移體。遷移體是一種大囊泡樣結構且內帶有小囊泡的細胞器，在通過收縮絲與母體細胞保持聯通時，能夠作為母體細胞的一部分執行多種功能，在收縮絲斷裂時，也能夠作為完全獨立于母體細胞的個體，以細胞外囊泡的方式發揮功能。目前，課題組已報道的，遷移體參與的多種生理過程有：細胞間mRNA轉運【2】，線粒體質量控制【3】，器官發育【4】，血管新生【5】等。

2023年7月24日，清華大學生命科學學院、膜生物學國家重點實驗室俞立課題組在Nature Cell Biology在線發表了題為The formation of migrasomes is initiated by the assembly of sphingomyelin synthase 2 foci at the leading edge of migrating cells的研究論文，指明鞘磷脂合成酶2 (SMS2) 在遷移細胞前沿組裝形成斑點，從而決定遷移體的生長位點。

遷移體的命運周期是一個生物信號響應與物理形變結合的精細調控過程，目前其形成機制研究比較表淺，課題組曾報道遷移體形成的理論框架: 四次跨膜蛋白TSPAN4能夠自組裝或者整合其他跨膜蛋白及胞質蛋白，形成一種稱為四次跨膜蛋白富集的微結構域，簡稱TEMs。在遷移體生成過程中TSPAN4組裝的TEMs能夠聚集形成?m級別的宏結構域（TEMAs），最終這些宏結構域使膜管形變，產生遷移體【6】。本文工作中，研究人員旨在系統性地獲取可能調控遷移體命運周期的相關基因與信號調控網絡，深入理解其生成機制。

研究人員首先利用蛋白質組學數據與生信分析建立篩選文庫，結合病毒介導的RNAi技術與高內涵成像，篩選遷移體生成相關基因。接著利用脂質組學比較遷移體與細胞膜的脂質差異，兩部分的數據一致性地為課題細化了切入點：鞘脂代謝。下一步，研究人員確認了鞘脂家族脂質的分布：神經酰胺 (ceramide) 富集于遷移體生成位點，鞘磷脂 (SM) 富集于遷移體和遷移體生成位點，驗證了遷移體的生成需要神經酰胺 (ceramide)，鞘磷脂 (SM) 并明確了其中參與調控的關鍵酶：神經酰胺合成酶Cers5, 鞘磷脂合成酶 SMS2與神經酰胺轉運酶CERT。

鞘磷脂合成酶 SMS2能夠通過介導鞘磷脂 (SM) 合成，調控遷移體生成與結構穩定，故研究人員對鞘磷脂合成酶 SMS2展開了進一步的研究，發現：SMS2蛋白在細胞前沿的，與胞外基質接觸側的細胞膜上能組裝形成SMS2斑點，這些斑點決定遷移體的發生位點。遷移體的生成也需要SMS2蛋白組裝形成SMS2斑點。

綜上所述，研究人員認為遷移體生成過程包含以下過程：1)組裝于細胞前沿的SMS2斑點決定遷移體生成位點；2）細胞遷移離開，錨定的SMS2斑點保留在收縮絲上成為遷移體生成位點；3）在SMS2斑點位置，神經酰胺轉化成鞘磷脂，誘發遷移體進入生長階段；4）TEMAs募集，進一步促進遷移體的生長與結構穩定。

本文工作首次報道了遷移體的命運發生起始于細胞前沿的位點決定，破除原有的遷移體生長于細胞后沿收縮絲的形態學認知，拓寬了遷移體命運發生的時空尺度，為未來上游胞內信號調控遷移體形成提供了可能的著眼點。其次，本文工作報道了鞘脂與鞘脂相關酶參與調控遷移體發生與結構穩定，豐富了遷移體生成的理論模型，也為未來研究利用遷移體作為模式結構探索膜結構域組裝與功能提供新視角。此外，鞘脂與鞘脂相關酶在多種生理功能發揮中具有重要作用，為遷移體可能的生理功能與功能調節機制提供了新思路。

圖一：SMS2-GFP亮點錨定在細胞底部后可生長成遷移體（Confocal Imaging）

圖二：組裝于細胞前沿底部膜上的SMS2斑點決定遷移體生成位點（TIRF Imaging）

圖三：SMS2調控遷移體生成的模式圖

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41556-023-01188-8

參考文獻：

1. Ma, L. et al. Discovery of the migrasome, an organelle mediating release of cytoplasmic contents during cell migration. Cell Res 25, 24-38 (2015).

2. Zhu, M. et al. Lateral transfer of mRNA and protein by migrasomes modifies the recipient cells. Cell Res 31, 237-240 (2021).

3. Jiao, H. et al. Mitocytosis, a migrasome-mediated mitochondrial quality-control process. Cell 184, 2896-2910 e2813 (2021).

4. Jiang, D. et al. Migrasomes provide regional cues for organ morphogenesis during zebrafish gastrulation. Nat Cell Biol 21, 966-977 (2019).

5. Zhang, C. et al. Monocytes deposit migrasomes to promote embryonic angiogenesis. Nat Cell Biol 24, 1726-1738 (2022).

6. Huang, Y. et al. Migrasome formation is mediated by assembly of micron-scale tetraspanin macrodomains. Nat Cell Biol 21, 991-1002 (2019).