引言
多囊泡體（MVBs）是細胞内的重要細胞器，在細胞品質控制中扮演着關鍵角色。MVB膜通過内陷和切割形成腔内小泡（ILVs），負責分選蛋白質貨物，這一過程按當今的了解需要ESCRT蛋白複合體消耗ATP來完成【1】。近些年研究顯示，生物分子凝聚體是細胞行使其功能必不可少的介觀結構，通過多種多樣的機制發揮作用。凝聚體可以與膜互相作用發生“潤濕（wetting）”并引發毛細（capillary）現象【2】。然而，潤濕相關毛細力在細胞過程中的生物學意義仍然知之甚少。
2024年10月9日，清華大學方曉峰實驗室與合作者在Nature雜志線上發表了題為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，通過潤濕作用誘導内體膜的内陷和不穩定性，足以在不依賴ESCRT機器和ATP的情況下介導ILV的形成。Nature雜志同期以Research Briefing的形式對該工作進行了題為Cell membranes shaped and cut by phase-separated liquid protein condensates的報道。
方曉峰實驗室專注于研究相分離形成的凝聚體在植物感覺、應答和記憶環境脅迫中的作用機制（實驗室正在招聘對此方向感興趣的博士後人員）。研究人員首先利用實驗室之前建立的相分離蛋白篩選體系【3】，發現植物ESCRT組分FREE1在體内和體外都具有很強的相分離能力，其N端内在無序區域（IDR）是驅動相分離的主要元件（圖1）。此外，FREE1具有FYVE結構域，能夠與膜脂質磷脂酰肌醇3-磷酸（PI3P）結合，進而定位到MVB膜上。進一步研究發現，凝聚體的形成顯著增強了FREE1與膜的結合能力，且FREE1凝聚體作為支架，招募ESCRT其它組分進入其凝聚體，增強它們與膜的結合能力。很重要的是，作者發現利用序列完全不同的FUS-IDR替換FREE1的IDR，能夠完全回補free1突變體緻死的表型（圖1）；而失去了相分離能力的FUS-IDRm則不能，表明FREE1的相分離是其發揮功能必要且充分的條件。然而，作者發現FUS-IDR-FREE1雖然可以替代FREE1的功能，但不能與ESCRT互相作用進而招募它們進入其凝聚體中，暗示FREE1的凝聚體可以獨立于ESCRT發揮功能。
圖1. FREE1相分離是其發揮功能所必需的。（a）不同形式FREE1蛋白的結構示意圖；（b）不同形式FREE1體外相分離實驗；（c）所示基因型植物的發育表型（Credit: Nature）
進一步，研究團隊通過體外重構和計算機模拟FREE1凝聚體與膜的互相作用，發現FREE1凝聚體可以在極短的時間内使得膜發生彎曲内陷。在體外重構實驗中，研究者觀察到在沒有ESCRT複合體存在的情況下，FREE1凝聚體填充的小膜泡可以在大膜泡GUV内側形成并在内部自由擴散（圖2），表明FREE1凝聚體本身足以介導囊泡剪切。實體理論計算發現支援這一猜測。作者進一步提供了很強的遺傳學證據：在缺失ESCRT的植物中過表達可以形成凝聚體的FUS-IDR-FREE1，發現能夠很大程度上實作MVB内ILV的形成。最後研究者還發現，盡管可以相分離但不招募ESCRT的FUS-IDR-FREE1能夠滿足植物在正常條件下的生長發育，但不能滿足植物在高鹽和幹旱等條件引起的滲透脅迫下的萌發和存活率，說明ESCRT蛋白機器和FREE1凝聚體可能是進化過程保留下來的實作MVB産生的雙保險機制，也能夠更好地應對環境的變化。脅迫條件下這兩種機制如何互相協同還有待未來進一步研究。
圖2. 多手段揭示FREE1凝聚體與膜的互相作用。（a）體外FREE1液滴（紫色）與GUV膜（綠色）的互相作用；（b）計算機模拟液滴（紫色）通過浸潤内陷膜（綠色）的動态過程；（c）實體理論計算膜頸切割所需的力與液滴大小之間的關系（Credit: Nature）
綜上，此研究揭示了一種不同于傳統認知的、由ESCRT機器消耗ATP介導的、MVB産生的新機制：FREE1相分離形成的具有液态屬性的凝聚體，通過其産生的毛細力驅動MVB膜内陷，引起膜頸的不穩定進而完成膜的剪切形成ILV，該過程不依賴ESCRT機器和且不ATP消耗（圖3）。這一研究極大地拓寬了相分離在生物學中功能研究的次元，加深了我們對細胞内膜系統重塑的了解。
圖3. 凝聚體介導ILV形成的工作模型。左邊顯示傳統認為的通過ESCRT蛋白機器與ATP酶協同實作ILV産生的過程；右邊顯示本研究發現的凝聚體通過毛細力内陷MVB膜和對膜頸的切割實作ILV産生的過程（Credit: Nature）
參考文獻
1. Vietri, M., M. Radulovic, and H. Stenmark, The many functions of ESCRTs. Nat Rev Mol Cell Biol, 2020. 21(1): p. 25-42.2. Gouveia, B., et al., Capillary forces generated by biomolecular condensates. Nature, 2022. 609(7926): p. 255-264.3. Zhang, H., et al., Large-scale identification of potential phase separation proteins from plants using a cell-free system. Mol Plant, 2023. 16(2): p. 310-313.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07990-0
責編|探索君
排版|探索君
文章來源|“BioArt”
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