责编 | 狄德罗
大脑工作依赖于神经元间的信息传递，而神经元间的信号传导主要是通过递质释放完成的。自从1952年Bernard Katz首次发现量子化的递质释放以来，科学家们一直在努力探索神经递质是如何释放的。许多间接证据提示，递质释放是通过膜融合时产生的孔道释放的。然而，经过六七十年的研究，活细胞膜孔道开放过程至今没有被直接观察与证实，它的调控过程也因此不为人知。
近日，美国国立卫生研究院巫凌刚实验室在最新仪器的Cell上发表了题为 Visualization of Membrane Pore in Live Cells Reseals a Dynamic-Pore Theory Governing Fusion and Endocytosis 的长文，其研究首次利用超高分辨率受激发射损耗显微镜(STED)观察到囊泡融合孔的结构和动态过程。在短至26毫秒，长至数秒的时间内，膜孔道可在0到490纳米间打开（图1），随后可保持不变，扩张，收缩和闭合。
图1. 囊泡融合时产生的融合孔（箭头位置）
这一动态过程决定了囊泡内递质的释放与回收的效率，它们是由融合孔的扩张和收缩之间的竞争产生的。扩张和收缩分别由F-肌动蛋白依赖性的膜张力和钙/Dynamin介导。这些发现提供了证实融合孔假说所缺失的活细胞证据，并建立了一个阐述膜融合，分裂和调控的融合孔理论（图2）。这一新理论替代和完善旧有的“窄孔理论”。所谓“窄孔理论”是指膜融合形成了一个狭窄的孔隙，它可以快速闭合以限制囊泡内物质释放（kiss-and-run），或者不可逆转地扩展直到变平（完全塌陷）以促进释放。这种两极分化的释放模式过于简单，无法解释活细胞上膜孔道的动态变化过程，新理论可以替代旧理论来解释数十年来关于递质释放的研究结果。本项工作打开了膜孔道动态研究的大门。
图2. 新膜融合孔动态理论
膜融合与回收是细胞赖以生存的生物过程。例如神经递质与激素的释放，胞吐，胞吞，细胞内运输，细胞分裂，受精和病毒侵入都依靠这一过程。巫凌刚研究员实验室长期以来致力于膜融合与回收的研究。研究室的主要工作如下表所示：
2002 Nature | 利用细胞膜电容记录方法在calyx of Held巨型神经末梢上测量了单个与多个囊泡的释放与回收过程 |
2006 Nature | 运用细胞贴附微电极记录技术首次揭示了在神经突触上存在“kiss-and-run”和“完全塌陷”两种递质释放模式，并且测量了囊泡融合孔的膜电导来推测膜孔道动力学 |
2009 Nature Neuroscience | 发现钙通过钙调蛋白激活各种内吞过程： 快速胞吞，慢速胞吞，巨胞吞和overshoot |
2014 Nature Communications | 结合STED显微镜技术揭示了囊泡融合后结构的变化，提出了新的“Ω－胞吐－胞吞”模型 |
2016 Nature | 首次在活细胞上发现囊泡半融合结构，其调控机制，以及在膜融合与分裂中的重要作用 |
图3. 实验室成员在大瀑布公园郊游
本项工作由美国国立卫生研究员巫凌刚实验室独立完成，第一作者Wonchul Shin，第二作者葛礼浩。共同作者刘会生（现北京航空航天大学教授），赵伟东（中国医科大学教授，第十三批“青年千人计划”）已回国任职。
1. Single and multiple vesicle fusion induce different rates of endocytosis at a central synapse. Sun J.Y., Wu X.S., Wu L.G. Nature , 2002; 417, 555-559
2. Two modes of fusion pore openings revealed by cell-attached recordings at a synapse. He L., Wu X.S., Mohan R., and Wu L.G. Nature , 2006; 444, 102-105
3. Compound vesicle fusion increases quantal size and potentiates synaptic transmission. He L., Xue L., Xu J., McNell B., Bai L., Melicoff E., Adachi R. and Wu L.G. Nature , 2009; 459, 93-98
4. Ca(2+) and calmodulin initiate all forms of endocytosis during depolarization at a nerve terminal. Wu X.S., McNeil B.D., Xu J., Fan J., Xue L., Melicoff E., Adachi R., Bai L., Wu L.G.
Nat Neurosci. , 2009; 12(8), 1003-10
5. Post-fusion structural changes and their roles in exocytosis and endocytosis of dense-core vesicles. Chiang H.C.,Shin W.,Zhao W.D.,Hamid E.,Sheng J.,Baydyuk M.,Wen P.J.,Jin A.,Momboisse F.,Wu L.G. Nat Commun ., 2014; 5, 3356
6. Hemi-fused structure mediates and controls fusion and fission in live cells. Zhao W.D., Hamid E., Shin W., Wen P.J., Krystofiak E.S., Villarreal S.A., Chiang H.C., Kachar B., Wu L.G. Nature , 2016; 543, 548-552
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