微管（microscopic）是細(xì)胞骨架的組成部分，起源于中心體（centrosome）。2007年6月，范德比爾特大學(xué)醫(yī)學(xué)院Irina Kaverina博士帶領(lǐng)的研究小組，在微管起源研究中獲得了重大突破。他們發(fā)現(xiàn)高爾基體（Golgi apparatus）是微管的另一個(gè)起源，指出了一種可能指導(dǎo)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和癌細(xì)胞入侵的新細(xì)胞機(jī)制。這一成果刊登于學(xué)術(shù)期刊《Developmental Cell》。（相關(guān)閱讀：高爾基體被證實(shí)是另一個(gè)微管形成中心）
在此之后經(jīng)過了八年的深入探索，該研究小組又在《Developmental Cell》上發(fā)布了一項(xiàng)令人驚訝的研究結(jié)果，他們報(bào)道稱，微管——細(xì)胞中的“高速公路”，在胰腺β細(xì)胞中發(fā)揮一個(gè)令人驚訝的作用，它們不是促進(jìn)葡萄糖刺激的胰島素分泌，而是對(duì)其有限制作用。（相關(guān)閱讀：華人學(xué)者：控制胰島素分泌的細(xì)胞閥）
為了更進(jìn)一步了解這項(xiàng)重要的研究成果， 特地了第二篇論文的*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(jìn)行了探討。
你們的研究為何要關(guān)注微管這個(gè)細(xì)胞結(jié)構(gòu)？又是如何將微管與胰島素分泌到一起的？
范德堡小組：這項(xiàng)工作是延續(xù)我們2007年的一項(xiàng)研究， 多家媒體也進(jìn)行了報(bào)道（相關(guān)閱讀：高爾基體被證實(shí)是另一個(gè)微管形成中心）。 在2007年的工作中，Kaverina博士發(fā)現(xiàn)高爾基體能組織微管，而不僅是傳統(tǒng)觀點(diǎn)上認(rèn)為的中心體組織微管。那么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(nèi)正常細(xì)胞中到底有什么重要的生物學(xué)功能。這是我們zui初想回答的問題。
我們?cè)镜挠?jì)劃是分門別類、在有不同生物學(xué)功能的細(xì)胞中各選取一到兩種，比如內(nèi)分泌細(xì)胞，外分泌細(xì)胞，神經(jīng)細(xì)胞……，我們當(dāng)時(shí)的假設(shè)是，高爾基體組織的微管在細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸過程中起到了至關(guān)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(yùn)送至細(xì)胞膜附近，繼而釋放。我們知道，內(nèi)分泌、外分泌、以及神經(jīng)細(xì)胞中，這種分泌功能十分旺盛。胰島素分泌細(xì)胞——beta細(xì)胞，是我展開實(shí)驗(yàn)的*種細(xì)胞。這種細(xì)胞有非常重要的生理學(xué)功能。胰島素分泌受損引起糖尿病。而目前*有3億五千萬糖尿病患者。因此我們認(rèn)為，我們的研究有可能發(fā)現(xiàn)改善beta細(xì)胞功能、治療糖尿病的方法。
范德堡小組：因?yàn)榘凑諅鹘y(tǒng)的細(xì)胞生物學(xué)理論，微管是細(xì)胞內(nèi)囊泡運(yùn)輸所必需的。在beta細(xì)胞中，胰島素首先在位于細(xì)胞中心的高爾基體加工，包裝，形成胰島素顆粒，并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(dá)細(xì)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(yùn)向細(xì)胞膜的“高速公路”。雖然這一理論并沒有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但一直以來它卻深入人心，糾其原因主要是因?yàn)檫@一理論與傳統(tǒng)的細(xì)胞生物學(xué)模型是一致的。
剛開始研究時(shí)，我們對(duì)這一假說也深信不疑。按照傳統(tǒng)模型，如果beta細(xì)胞沒有微管，胰島素顆粒將不能有效的運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜附近。這種情況下，葡萄糖刺激后胰島素的分泌應(yīng)該減少，因?yàn)榧?xì)胞膜附近沒有足夠的胰島素顆粒。但我們非常震驚地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們用藥物破壞了微管后，葡萄糖刺激后胰島素的分泌不僅沒有降低，反而升高了。這一結(jié)果，*與當(dāng)時(shí)的理論不符合，根本令人無法理解。我們?nèi)齻€(gè)不同實(shí)驗(yàn)室分別獨(dú)立的重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn)幾十次，所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致的顯示，微管對(duì)胰島素的分泌起到了負(fù)調(diào)控。這一結(jié)果確實(shí)非常奇怪，與許多實(shí)驗(yàn)室以前發(fā)表的結(jié)果也不同。我們認(rèn)為有以下因素造成了這一差異：（1）我們實(shí)驗(yàn)中使用了胰島細(xì)胞，而不是beta細(xì)胞系。細(xì)胞系有可能在培養(yǎng)過程中喪失了調(diào)控胰島素分泌的能力。（2）我們實(shí)驗(yàn)中用來衡量胰島素釋放的參數(shù)是，釋放胰島素占胰島內(nèi)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(cè)胰島素釋放的量。這一參數(shù)的使用，使得我們可以不受不同細(xì)胞內(nèi)胰島素本身含量多少的影響。（3）我們實(shí)驗(yàn)室有*g的活細(xì)胞成像技術(shù)。這一技術(shù)使得我們可以用多種方法十分準(zhǔn)確的檢測(cè)胰島素的釋放。而其他方法經(jīng)常不能做到。
范德堡小組：為了理解微管對(duì)于胰島素顆粒運(yùn)輸?shù)淖饔?，我們使用了SIM顯微鏡（Structured Illuination Microscopy ）來觀察微管在beta細(xì)胞中的結(jié)構(gòu)，我們還使用了轉(zhuǎn)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(xì)胞內(nèi)的運(yùn)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(zhuǎn)基因小鼠技術(shù)，讓小鼠表達(dá)熒光（mcherry）融合的胰島素顆粒。通過這一技術(shù)我們發(fā)現(xiàn)正常情況下胰島素顆粒在細(xì)胞內(nèi)，*沒有想象中的從細(xì)胞中間向細(xì)胞膜運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸過程，大多胰島素顆粒是沒有方向性的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。利用全內(nèi)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(xì)胞膜的結(jié)合，以及沿著細(xì)胞膜的運(yùn)動(dòng)情況。同時(shí)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(jié)合。利用這一染料，我們可以在顯微鏡下，實(shí)時(shí)地觀察到胰島素顆粒的釋放。所有這些不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)的結(jié)果顯示，微管的主要作用是阻止胰島素顆?？拷?xì)胞膜，從而避免了胰島素釋放過多。
范德堡小組：2016 年開始，Kaverina博士和第二項(xiàng)研究的共同通訊作者古國強(qiáng)（Qiangguo Gu）博士共同獲得NIH的經(jīng)費(fèi)支持，用來展開后續(xù)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(xì)胞內(nèi)微管穩(wěn)定性降低， 3. 葡萄糖是如何通過影響細(xì)胞膜附近的微絲結(jié)構(gòu)從而影響微管的穩(wěn)定性。4. 我們?nèi)绾文芡ㄟ^改變微管的穩(wěn)定性進(jìn)而增強(qiáng)beta細(xì)胞功能，從而首先在模式動(dòng)物體內(nèi)治療糖尿病。
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