细胞总是在不断地与外界交流物质，例如，通过将蛋白质或者其他化合物以组装成囊泡的形式进行传递。但在传递“货物”之前，囊泡的膜必然要和其他膜相融合，以便创造出方便“货物”穿越的通道。生物学上将这个过程称作膜融合（membrane fusion）。膜融合对于健康和疾病有着重要的影响，例如，它参与了受精过程、激素的循环过程，以及脑细胞的放电过程，等等。另一方面，HIV或其他病毒在入侵细胞的时候，同样也是借助于膜融合的分子机制，才顺利进入细胞。
因为膜融合的过程时间非常短暂，少于1个毫秒，让研究者很难“看清”膜打开的过程。所幸的是，来自布朗大学（Brown University）的生物学家Gary Wessel和他同实验室的同事一起，为我们记录下了活体细胞膜融合过程中的关键一步。
在Wessel实验室里，研究者使用海胆卵（sea urchin egg）来研究膜融合过程。在海胆卵中，有成千上万的囊泡粘附着细胞质膜。在受精后的几秒内，这些囊泡就会迅速释放内容物。之前有研究表明，有一些特殊的蛋白让囊泡停泊在卵膜上。但在膜融合的过程发生之前，囊泡的外形是否发生了某些特别的变化？这正是我们所关心的问题。
Wessel和同事发现，卵膜和囊泡是半融合的——虽然膜共享但内容物却各自独享的一种状态。使用荧光染料和高分辨率的显微镜，研究者发现这种半融合的（hemifusion）的状态在活体细胞中竟然是出奇的稳定。
“在研究过程中，我们发现了一个非常令人不可思议的地方，就是活体细胞可以维持这种半融合状态长达几小时，几天，甚至几个月。” Wessel实验室的博士后Julian Wong介绍说，他是这篇发表在《Developmental Cell》杂志上的研究性文章的第一作者，“我们以海胆卵作为细胞模型，可以让整个过程清晰可见。”
“感觉上，好像整个时间都定格在了膜共享这个状态上，随时准备着下一步的发生。” Wessel说道，“下一步的发生只需细胞内钙离子释放就可以进行了，融合过程就可以彻底完成。整个过程进行得非常快速，因为半融合状态已经‘万事俱备，只欠东风’了。”
Wong和Wessel认为他们的研究可能有助于科学家探索一个给细胞供药的新方法。如果在给药过程中，可以让包含有药物的膜与目标细胞的细胞膜处在半融合状态，而非全融合，那么我们就可以很好地调控药物传递的时间了。
Developmental Cell, Vol 12, 653-659, 09 April 2007
Short Article
Membrane Hemifusion Is a Stable Intermediate of Exocytosis
Julian L. Wong,1 Dennis E. Koppel,2 Ann E. Cowan,2 and Gary M. Wessel1,
1 Department of Molecular Biology, Cellular Biology, and Biochemistry, Brown University, Providence, RI 02912, USA
2 Department of Molecular, Microbial, and Structural Biology and Richard D. Berlin Center for Cell Analysis and Modeling, University of Connecticut Health Center, Farmington, CT 06032, USA
Corresponding author
Gary M. Wessel
rhet@brown.edu
Summary
Membrane fusion during exocytosis requires that two initially distinct bilayers pass through a hemifused intermediate in which the proximal monolayers are shared. Passage through this intermediate is an essential step in the process of secretion, but is difficult to observe directly in vivo. Here we study membrane fusion in the sea urchin egg, in which thousands of homogeneous cortical granules are associated with the plasma membrane prior to fertilization. Using fluorescence redistribution after photobleaching, we find that these granules are stably hemifused to the plasma membrane, sharing a cytoplasmic-facing monolayer. Furthermore, we find that the proteins implicated in the fusion process—the vesicle-associated proteins VAMP/synaptobrevin, synaptotagmin, and Rab3—are each immobile within the granule membrane. Thus, these secretory granules are tethered to their target plasma membrane by a static, catalytic fusion complex that maintains a hemifused membrane intermediate.
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