2020年1月15日，美国国立卫生研究院巫凌刚课题组与美国哥伦比亚大学Ben O’Shaughnessy课题组在Cell Reports以长文发表了题为“Vesicle Shrinking and Enlargement Play Opposing Roles in the Release of Exocytotic Contents” 的文章, 发现了两种囊泡融合模式：一种是融合后囊泡收缩并使用大的融合孔道来促进释放囊泡内容物; 另一种是融合后囊泡扩张并使用小的膜融合孔来减缓递质释放。从能量学角度来说，细胞内的渗透压挤压融合后囊泡使得囊泡更倾向于收缩而非普遍认为的完全塌陷。

研究亮点：

用超高分辨率受激发射损耗显微镜（STED）观察到囊泡融合后产生的类似Ω形态和结构可收缩或扩张；

Ω形膜结构收缩是由生理状态下细胞渗透压挤压Ω膜结构而形成；

Ω形膜结构收缩通过产生大的膜融合孔促进递质释放；

Ω形膜结构扩张通过产生小膜融合孔来减缓递质释放。

一般认为，神经递质或荷尔蒙主要通过两种模式释放：一种是囊泡融合后快速闭合以限制囊泡内物质释放（kiss-and-run），或者是不可逆转地扩展直到变平（full collapse, 完全塌陷）以促进递质释放。本工作中，作者首先结合膜片钳技术和STED显微镜观察到囊泡与细胞膜融合后，膜Ω结构会出现收缩，部分收缩，不变和扩张等形态变化。通过分析共236个膜Ω结构以及膜融合孔的变化发现，~21％的膜Ω结构具有高于分辨率60 nm的可视膜融合孔，其中收缩型膜Ω结构中可视膜融合孔的比例要显著高于扩张型。值得注意的是，~7％具有可视膜融合孔的收缩型膜Ω结构在收缩过程中，当膜Ω结构的宽度小于膜融合孔径的时候就会出现L结构。另外，我们在更高分辨率的电镜下也看到了不同大小和形状的膜Ω结构。

膜Ω结构会出现收缩或扩张会有什么样的生理功能？作者首先用荧光假神经递质(FFN) 或神经肽Y-绿色荧光蛋白（NPY-GFP)标记了递质囊泡，然后刺激细胞释放这些递质，发现与扩张型膜Ω结构相比，收缩型膜Ω结构能够更加快速地释放递质标记物，证实了膜Ω结构的变化与生理功能的相关性。这部分工作主要由巫凌刚课题组的Wonchul Shin, Gianvito Arpino和葛礼浩完成的。

为什么囊泡融合后膜Ω结构倾向于收缩而非完全塌陷以促进递质释放？为了进一步阐明膜Ω结构变化的机理，Ben O’Shaughnessy课题组的Sathish Thiyagarajan和苏瑞用数学模型结合实验数据，模拟了不同的膜Ω结构变化，发现了囊泡融合后膜结构的收缩是由于生理状态下细胞的渗透压通过挤压囊泡膜而形成的，进一步阐述了Ω膜收缩的产生机理.

本文是巫凌刚实验室前期工作的延伸，在2016年，课题组的Peter J. Wen等人在Naure Communication上报道了肌动蛋白可以提供膜张力促进膜Ω结构的收缩。该工作主要分析了收缩型膜Ω结构的分子机理，并没有足够的数据提供高分辨率的膜Ω结构动态变化与功能的相关性。

在2018年, 课题组的Wonchul Shin和葛礼浩等人在Cell上首次报道膜融合孔的发现 （https://mp.weixin.qq.com/s/vEIpWvj7lI7pP1AWoRQQLw），并观察到囊泡融合孔的结构和动态变化过程。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，随后可保持不变，扩张，收缩和闭合。这项工作奠定了本文工作的技术起点。

小结

本文工作发现了融合后囊泡收缩和扩张两种模式能分别促进和减缓囊泡内容物释放，这两种释放模式可能取代或补充现有的‘full collapse/kiss-and-run’假说。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.12.044