用户成就 | HIS-SIM 助力浙江大学徐素宏团队揭示高尔基体调控细胞膜损伤修复新机制
生存还是死亡，这是所有生命所必须面对的重大问题。细胞膜是细胞生命的屏障，它的完整性结构确保了细胞各项生命活动的正常运行，是细胞维持生命稳态的基础。细胞膜受到损伤后会有两种选择，一种是放弃生命形式走向死亡，另一种是快速修复确保遗传物质得意传递。后一种方式对于单细胞生命、受精卵、神经细胞、心肌细胞等尤为重要。细胞膜损伤感应和修复障碍与炎症、衰老和神经退行疾病密切相关。
徐素宏教授实验室长期以来聚焦该领域研究，建立了多细胞动物在体损伤模型，发现了多种细胞膜损伤感应模式（Nature Communications 2020, Cell Reports 2021，eLife 2023）和关键膜修复大分子（Developmental Cell 2020，2022）。2023年5月9日，浙江大学徐素宏团队在Journal of Cell Biology期刊上在线发表了 “Triggered Golgi membrane enrichment promotes PtdIns(4,5)P2 generation for plasma membrane repair”的研究论文，揭示了细胞内参与调控蛋白质修饰的关键细胞器高尔基体能够响应损伤帮助修复细胞膜大型伤口，并且参与细胞膜缺失磷脂成分的重建以实现细胞膜结构和功能重塑。
该研究使用HIS-SIM超分辨显微镜拍摄到了线虫表皮细胞损伤后PtdIns(4,5)P2和高尔基体膜在伤口部位的变化，以及线虫表皮细胞损伤前后PtdIns(4,5)P2和反式高尔基体的共定位图像，用影像学手段助力研究进展。
超视计科技热烈祝贺徐素宏教授团队
在此研究领域取得重要进展！
秀丽线虫表皮细胞是一个巨大多核单细胞，通过针刺损伤，可以造成直径为10微米左右的大型伤口，并且去除膜上的多种磷脂成分。如此大的伤口对于大多数哺乳动物细胞来说是致命的，细胞往往选择死亡这种比较经济的模式。然而，当受精卵、神经细胞、骨骼肌或心肌等细胞膜破损后，必须实现修复以维持细胞功能，修复障碍往往导致各种疾病。在动物体内，大型损伤的修复和调控机制并不清楚。
徐素宏团队发现表皮细胞损伤后高尔基体自身以及高尔基体来源的囊泡都能在较短的时间内聚集在伤口，并且这一聚集是膜修复所必须的。通过遗传学、转基因标记、快速活体显微成像、药物学等技术，观测到细胞膜上含量最为丰富的4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PtdIns(4,5)P2）在损伤后逐渐在伤口处得以恢复。进一步探索发现4-磷酸磷脂酰肌醇（PtdIns4P）会在伤口富集，和细胞膜缺损处富集的4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PtdIns(4,5)P2）有很好的共定位，且参与合成PtdIns(4,5)P2关键蛋白的PPK-1/PI4P5K也会在损伤后聚集在伤口处。而阻碍合成PtdIns4P关键蛋白PI4K或者PPK-1/PI4P5K的功能，则导致细胞膜缺损处PtdIns(4,5)P2的恢复明显减弱。
进一步研究发现在伤口聚集的高尔基体以及高尔基体来源的囊泡提高了PtdIns(4,5)P合成所必需的PtdIns4P。如果阻止高尔基体的移动或者是直接去除高尔基体以减少高尔基体向细胞膜缺损处的聚集，破损细胞膜的修复效率和线虫损伤后的存活率将显著降低。另外研究团队发现，如果特异性地阻碍高尔基体相关囊泡转运或特异性减少高尔基体定位的PtdIns4P含量均会导致PtdIns(4,5)P2在伤口的富集减弱。
由此，研究团队提出了高尔基体参与修复破损细胞膜的模型：细胞膜损伤后高尔基体向伤口处聚集添补了细胞膜大型的伤口，同时通过提供富含PtdIns4P的膜组分填补膜缺损参与细胞膜修复。PPK-1/PI4P5K聚集在这些膜组分附近，将PtdIns4P转换成细胞膜的主要磷脂酰肌醇成分PtdIns(4,5)P2, 以实现细胞膜结构和功能的完整性修复。这一发现也引出了很多科学问题，例如，高尔基体如何感应细胞膜损伤？高尔基体提供的膜组分如何实现与破损细胞膜的融合？高尔基体是蛋白质修饰的重要场所，是否提供了细胞膜修复所需要的其他生物大分子？PtdIns(4,5)P2的原位合成是在膜修复前还是修复后？等等
▲ 图1 使用HIS-SIM拍摄线虫表皮细胞损伤后PH::GFP（PtdIns(4,5)P2）结合在伤口部位积聚形成多囊泡结构（A）,随着时间的推移，囊泡样结构扩大，最终在受伤后数小时内覆盖伤口（B）,高尔基体膜在伤口处聚集（C），Scale bar 10μm。
▲ 图2 使用HIS-SIM拍摄线虫表皮细胞损伤前后PH::GFP（PtdIns(4,5)P2）和TGN-38::tagBFP（反式高尔基体）的共定位图像
借助HIS-SIM超分辨成像系统，研究团队进一步确定了表皮细胞创伤部位PtdIns(4,5)P2的局部生成和高尔基体膜的富集，验证了高尔基体衍生膜结构形成膜补片修复损伤细胞膜（图1）； 且高尔基膜的富集对于在伤口部位生成PtdIns(4,5)P2是必要的 （图2）。
论文共同第一作者：
浙江大学爱丁堡大学联合学院博士后孟曦男博士
浙江大学医学院外籍4年级本科生Chandra Sugiarto Wijaya（杨根隆）
论文通讯作者：
浙江大学医学院徐素宏教授
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文献链接：https://doi.org/10.1083/jcb.202303017
*注：本文部分内容来自浙江大学爱丁堡大学联合学院公众号文章“我院徐素宏团队在Journal of Cell Biology发文揭示高尔基体参与调控细胞膜损伤修复新机制”，并有改动。
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