清華新聞網(wǎng)6月7日電 細(xì)胞通過(guò)各種不同的蛋白質(zhì)量控制機(jī)制（Protein Quality Control Mechanisms）防止有害蛋白聚集。 這些蛋白質(zhì)量控制機(jī)制的退化或故障導(dǎo)致眾多人類(lèi)疾病，如糖尿病、癌癥，以及各種老年疾病等。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)作為蛋白質(zhì)折疊和質(zhì)量控制的主要場(chǎng)所，利用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白降解（ERAD）和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬（ER-phagy）兩種機(jī)制降解錯(cuò)誤蛋白。其中ERAD有針對(duì)性地降解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白，而ER-phagy，作為自噬（autophagy）的一種，常被認(rèn)為批量降解已碎片化的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)域（ER fragments/domains）。然而，作為兩種最重要的蛋白降解機(jī)制，人們對(duì)ERAD和ER-phagy的作用機(jī)制，尤其是在生理?xiàng)l件下二者如何協(xié)同并維護(hù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)仍知之甚少。
5月31日， 密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院齊嶺教授課題組及清華大學(xué)生命科學(xué)院、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院吝易助理教授課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上在線(xiàn)發(fā)表題為“脂肪細(xì)胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)處理錯(cuò)誤折疊蛋白機(jī)制”（The mechanisms to dispose of misfolded proteins in the endoplasmic reticulum of adipocytes）的研究論文。研究揭示了在小鼠脂肪細(xì)胞中SEL1L-HRD1 ERAD和ER-phagy的共同作用機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)脂肪細(xì)胞對(duì)錯(cuò)誤折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的積累可能具有高度適應(yīng)性。正常狀態(tài)下ER-phagy功能受到限制，SEL1L-HRD1 ERAD為降解錯(cuò)誤折疊蛋白核心機(jī)制。當(dāng)SEL1L-HRD1 ERAD功能下降時(shí)，脂肪細(xì)胞中ER-phagy功能增加，從而減少錯(cuò)誤折疊蛋白形成的聚集物在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中積累。而在SEL1L-HRD1 ERAD和ER-phagy功能均下降的情況下，錯(cuò)誤折疊的蛋白可以被儲(chǔ)存在一種由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)碎片聚集融合形成的特殊細(xì)胞結(jié)構(gòu)中。這種細(xì)胞結(jié)構(gòu)被命名為Coalescence of ER Fragments（CERFs）。研究者推測(cè)此種結(jié)構(gòu)可能對(duì)脂肪細(xì)胞（至少在短期內(nèi)）適應(yīng)蛋白質(zhì)量控制機(jī)制缺陷具有重要作用。
圖1. 小鼠脂肪細(xì)胞有步驟地處理內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中錯(cuò)誤折疊蛋白及蛋白高聚物的假設(shè)模型
圖2. 透射電子顯微鏡（TEM）下觀(guān)察到在脂肪細(xì)胞特異SEL1L-HRD ERAD和ER-phagy雙敲除（DKO）的小鼠的脂肪組織里形成的CERFs結(jié)構(gòu)（a，箭頭：在CERFs中的類(lèi)膜結(jié)構(gòu)）。使用免疫金染色后，在TEM下觀(guān)察到CERFs結(jié)構(gòu)（綠色虛線(xiàn)）富集著內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔標(biāo)記蛋白BiP（b）。
隨后，研究者利用免疫沉淀質(zhì)譜法（immunoprecipitation-mass spectrometry）分析了小鼠脂肪組織中CERFs的主要成分。結(jié)合一系列生化分析，他們發(fā)現(xiàn)脂蛋白脂肪水解酶- lipoprotein lipase（LPL）是CERFs主要的蛋白成分，也是脂肪細(xì)胞中重要的ERAD底物。
LPL主要由脂肪與肌肉細(xì)胞分泌，其主要功能是水解在乳糜微粒（Chylomicrons）和極低密度脂蛋白（VLDL）里的甘油三酯。LPL的功能缺失在嚴(yán)重的情況下可以導(dǎo)致I型高脂蛋白血癥，而較輕程度上則引起體內(nèi)脂蛋白代謝的紊亂。因此，闡明LPL蛋白在細(xì)胞內(nèi)的合成機(jī)制將為了解、預(yù)防或治療高血脂疾病作出重要貢獻(xiàn)。
研究發(fā)現(xiàn)，LPL在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的折疊主要受SEL1L-HRD1 ERAD控制。ERAD可及時(shí)清除在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中錯(cuò)誤折疊的LPL蛋白，從而確保正確折疊的LPL蛋白被正常分泌。在ERAD功能缺失情況下，LPL會(huì)形成蛋白高聚物；然而，此時(shí)脂肪細(xì)胞可激活ER-phagy作為ERAD缺失的補(bǔ)償機(jī)制，限制LPL在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中聚集。若脂肪細(xì)胞中ERAD和ER-phagy功能雙重缺失，錯(cuò)誤折疊LPL蛋白將被儲(chǔ)存在CERFs，并隨著時(shí)間形成低溶解度的高聚物。
圖3. 使用免疫熒光實(shí)驗(yàn)在共聚焦顯微鏡下觀(guān)察到，在野生型（WT）和自噬單敲（Atg7AdipCre）的小鼠中，LPL可被脂肪細(xì)胞分泌并進(jìn)入血管中，從而與血管標(biāo)記蛋白GPIHBP1共定位（a,黃色箭頭）；然而在SEL1L-HRD1 ERAD單敲（Sel1LAdipCre）和ERAD與自噬雙敲（DKO）的小鼠中, LPL累積在脂肪細(xì)胞中從而不能被正常分泌到血管中（a,白色箭頭）。相比于SEL1L-HRD1 ERAD單敲（Sel1LAdipCre)，在雙敲小鼠（DKO）中，LPL不僅在脂肪細(xì)胞中累積，大部分且形成圓形焦點(diǎn)（a,綠色箭頭）。使用免疫金染色特異標(biāo)記LPL后，可在TEM下觀(guān)察到LPL在雙敲脂肪細(xì)胞中富集于CERFs結(jié)構(gòu)（綠色虛線(xiàn)）中（b）
研究還發(fā)現(xiàn)了CERFs中蛋白的特異分布形態(tài)。熒光和免疫金電鏡成像結(jié)果均顯示在CERFs中，LPL被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的分子伴侶BiP包裹。為了驗(yàn)證CERFs組裝的機(jī)制，研究者對(duì)CERFs進(jìn)行了體外重構(gòu)。結(jié)果顯示，純化的LPL蛋白具有自聚集的能力，能夠在體外自發(fā)相分離并形成中空的具有類(lèi)似膠狀性質(zhì)的液滴。另外，純化的BiP可與LPL一起相分離并在體外形成BiP包裹LPL的液滴。這些發(fā)現(xiàn)將為未來(lái)進(jìn)一步闡明LPL在細(xì)胞內(nèi)的聚集和調(diào)控機(jī)制打下基礎(chǔ)。
圖4. 使用免疫熒光實(shí)驗(yàn)在共聚焦顯微鏡下觀(guān)察到，在ERAD與自噬雙敲的小鼠（DKO）脂肪組織中，LPL CERFs的外圍被BiP環(huán)繞（a，箭頭）。負(fù)染色后，在TEM下觀(guān)察到純化BiP與LPL一起相分離（b）。熒光染色后，發(fā)現(xiàn)純化的BiP包裹LPL液滴（c）
綜上，本研究利用小鼠模型首次證實(shí)了SEL1L-HRD1ERAD和ER-phagy在生理?xiàng)l件下的互作。二者共同控制重要生理功能蛋白的折疊與降解，從而維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。 同時(shí)，研究者首次發(fā)現(xiàn)脂肪細(xì)胞中由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)碎片聚集融合形成的特殊細(xì)胞結(jié)構(gòu)CERFs，揭示了其生理功能，并解析了CERFs的主要蛋白成分及組裝機(jī)制。未來(lái)研究將進(jìn)一步探究 ERAD，ER-phagy和CERFs形成在由蛋白折疊缺陷引起的疾病中的重要性。
密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院齊嶺教授，清華大學(xué)生命科學(xué)院、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院吝易助理教授為本文共同通訊作者。密歇根大學(xué)博士生吳霜程（Alivia）為第一作者。清華大學(xué)生命科學(xué)院申晨晨進(jìn)行了體外試驗(yàn)部分。其他密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院齊嶺實(shí)驗(yàn)室科研同事協(xié)助實(shí)驗(yàn)。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38690-4
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
