清華新聞網(wǎng)10月16日電 多囊泡體（MVBs）是細(xì)胞內(nèi)的重要細(xì)胞器，在細(xì)胞質(zhì)量控制中扮演著關(guān)鍵角色。MVB膜通過(guò)內(nèi)陷和切割形成腔內(nèi)小泡（ILVs），負(fù)責(zé)分選蛋白質(zhì)貨物，這一過(guò)程需要內(nèi)體分選復(fù)合物（ESCRT）消耗三磷酸腺苷（ATP）來(lái)完成。近些年研究顯示，生物分子凝聚體是細(xì)胞行使其功能必不可少的結(jié)構(gòu)，通過(guò)多種多樣的機(jī)制發(fā)揮作用。凝聚體可以與膜相互作用發(fā)生“潤(rùn)濕（wetting）”并引發(fā)毛細(xì)（capillary）現(xiàn)象。然而，潤(rùn)濕相關(guān)毛細(xì)力在細(xì)胞過(guò)程中的生物學(xué)意義仍然知之甚少。
10月9日，清華大學(xué)方曉峰實(shí)驗(yàn)室與合作者在《自然》（Nature）雜志在線(xiàn)發(fā)表了題為“生物分子凝聚體介導(dǎo)內(nèi)體膜的彎曲和剪切”（Biomolecular condensates mediate bending and scission of endosome membranes）的研究論文，揭示了植物蛋白FREE1相分離形成凝聚體，通過(guò)潤(rùn)濕作用誘導(dǎo)內(nèi)體膜的內(nèi)陷和不穩(wěn)定性，足以在不依賴(lài)ESCRT機(jī)器和ATP的情況下介導(dǎo)ILV的形成?！蹲匀弧吠谝浴堆芯亢?jiǎn)報(bào)》（Research Briefing）的形式對(duì)該工作進(jìn)行了題為“由相分離的液體蛋白凝聚物形成和切割的細(xì)胞膜”（Cell membranes shaped and cut by phase-separated liquid protein condensates）的報(bào)道。
方曉峰實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)注于研究相分離形成的凝聚體在植物感知、應(yīng)答和記憶環(huán)境脅迫中的作用機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)首先利用實(shí)驗(yàn)室之前建立的相分離蛋白篩選體系，發(fā)現(xiàn)植物ESCRT組分FREE1在體內(nèi)和體外都具有很強(qiáng)的相分離能力，其N(xiāo)端內(nèi)在無(wú)序區(qū)域（IDR）是驅(qū)動(dòng)相分離的主要元件。此外，F(xiàn)REE1具有FYVE結(jié)構(gòu)域，能夠與膜脂質(zhì)磷脂酰肌醇3-磷酸（PI3P）結(jié)合，從而定位到MVB膜上。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，凝聚體的形成顯著增強(qiáng)了FREE1與膜的結(jié)合能力，且FREE1凝聚體作為支架，招募ESCRT其他組分作為客戶(hù)端分子進(jìn)入其凝聚體，增強(qiáng)它們與膜的結(jié)合能力。很重要的是，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)利用序列完全不同的FUS-IDR替換FREE1的IDR，能夠完全回補(bǔ)FREE1突變體致死的表型；而失去了相分離能力的FUS-IDRm則不能，表明FREE1的相分離是其發(fā)揮功能必要且充分的條件。然而，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)FUS-IDR-FREE1雖然可以替代FREE1的功能，但不能與ESCRT相互作用從而招募它們進(jìn)入其凝聚體中，暗示FREE1的凝聚體可以獨(dú)立于ESCRT發(fā)揮功能。
進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)體外重構(gòu)和計(jì)算機(jī)模擬FREE1凝聚體與膜的相互作用，發(fā)現(xiàn)FREE1凝聚體可以在極短的時(shí)間內(nèi)使得膜發(fā)生彎曲內(nèi)陷。在體外重構(gòu)實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)觀(guān)察到在沒(méi)有ESCRT復(fù)合體存在的情況下，F(xiàn)REE1凝聚體填充的小膜泡可以在大膜泡GUV內(nèi)部自由擴(kuò)散，表明FREE1凝聚體本身足以介導(dǎo)囊泡剪切。物理理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)支持這一猜測(cè)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提供了很強(qiáng)的遺傳學(xué)證據(jù)：在缺失ESCRT的植物中過(guò)表達(dá)可以形成凝聚體的FUS-IDR-FREE1，發(fā)現(xiàn)能夠很大程度上實(shí)現(xiàn)MVB內(nèi)ILV的形成。最后研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，盡管可以相分離但不招募ESCRT的FUS-IDR-FREE1能夠滿(mǎn)足植物在正常條件下的生長(zhǎng)發(fā)育，但不能滿(mǎn)足植物在高鹽和干旱等條件引起的滲透脅迫下的萌發(fā)和存活率，說(shuō)明ESCRT機(jī)器和FREE1凝聚體可能是進(jìn)化過(guò)程保留下來(lái)的實(shí)現(xiàn)MVB產(chǎn)生的雙保險(xiǎn)機(jī)制，也能夠更好地應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化。脅迫條件下這兩種機(jī)制如何相互協(xié)同還有待未來(lái)進(jìn)一步研究。
綜上，該研究揭示了一種不同于傳統(tǒng)認(rèn)知的、由ESCRT機(jī)器消耗ATP介導(dǎo)的MVB產(chǎn)生的新機(jī)制：FREE1相分離形成的具有液態(tài)屬性的凝聚體，通過(guò)潤(rùn)濕作用驅(qū)動(dòng)MVB膜內(nèi)陷，引起膜頸的不穩(wěn)定進(jìn)而完成膜的剪切形成ILV，該過(guò)程不依賴(lài)ESCRT機(jī)器和且沒(méi)有ATP消耗。
凝聚體介導(dǎo)ILV形成的工作模型。左邊顯示傳統(tǒng)認(rèn)為的通過(guò)ESCRT機(jī)器與ATP協(xié)同實(shí)現(xiàn)ILV產(chǎn)生的過(guò)程；右邊顯示本研究發(fā)現(xiàn)的凝聚體通過(guò)毛細(xì)力內(nèi)陷MVB膜和對(duì)膜頸的切割實(shí)現(xiàn)ILV產(chǎn)生的過(guò)程
清華大學(xué)生命學(xué)院副教授方曉峰和德國(guó)科隆大學(xué)教授羅蘭·克諾爾（Roland Knorr）為論文通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院博士后王艷寧、李樹(shù)林和德國(guó)弗萊貝格工業(yè)大學(xué)博士馬塞爾·莫克貝爾（Marcel Mokbel）為論文共同第一作者。東京工業(yè)大學(xué)博士亞歷山大·梅（Alexander May）、弗萊貝格工業(yè)大學(xué)教授塞巴斯蒂安·阿蘭（Sebastian Aland）、倫敦大學(xué)學(xué)院教授海梅·阿古多-卡納萊霍（Jaime Agudo-Canalejo）、香港中文大學(xué)教授姜里文及其課題組梁子臻博士、中國(guó)科學(xué)院華南植物園研究員曾詠倫和清華大學(xué)副教授葛亮等對(duì)該工作作出重要貢獻(xiàn)。研究得到北京自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、德國(guó)研究聯(lián)合會(huì)、香港研究資助局和日本學(xué)術(shù)振興會(huì)等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07990-0
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
