LLPS新狀態:液晶結構的存在和形成,聚焦TDP-43形成不均小體

2021-01-07 BioArt生物藝術

撰文 | 十一月

責編 | 酶美

RNA結合蛋白TDP-43的錯誤定位以及凝聚會形成細胞核內或者細胞質內的凝聚物，是包括脊髓側索硬化症(ALS)、額顳葉痴呆(FTD)以及阿爾茲海默症(AS)等年齡依賴的神經退行性疾病的重要病理性標記【1-2】。

近日，關於TDP-43再發重磅文章，加州大學聖地牙哥分校Don W.Cleveland研究組與Haiyang Yu（於海洋，第一作者）合作在Science發表Research Article文章，題為HSP70 chaperones RNA-free TDP-43 into anisotropic intranuclear liquid spherical shells，揭開了生理水平下TDP-43在體內形成RNA非依賴的、HSP70分子伴侶調控的不均小體（Anisosomes）的現象，由於該核殼結構存在雙折射率，首次指徵了細胞內液晶結構的存在和形成，為揭開TDP-43在年齡依賴的神經退行性疾病中相分離狀態的調控以及向凝膠狀態以及固態轉化過程提供了重要依據。

十幾年前，科學家們發現蛋白質、核酸或者是兩者的混合物可以分層形成兩相，一個是凝聚相，一個是稀釋相，兩者類似於油醋沙司中的醋和油一樣，該現象被稱為液-液相分離（Liquid-liquid phase separation）【3】。LLPS現象廣泛參與到各種生物學過程之中包括重要的無膜細胞器和無膜結構的組裝，比如中心體、核孔複合物以及超級增強子等等【4-5】。另外，凝聚相可以進一步分層形成膠狀，比如核仁以及paraspeckles的形成等等【6-7】。

在該工作中，作者們介紹了一個有趣的新型LLPS現象，是由RNA結合蛋白TDP-43翻譯後修飾所調控的核殼結構形成的非均質小體。外圍由高濃度的液態的TDP-43組成，內部核心富含HSP70家族分子伴侶，形成了一個「液中有液」的新型液態結構（Liquid-inside-a-liquid-inside-a-liquid）。由於其各向異性和TDP-43在這個獨特的無膜腔的差異分布，作者們將該小體將其命名為「anisosomes」，這個名字來自希臘語單詞「anisos」和「soma」，意思是「不均勻的身體」。核殼結構表現出雙折射特徵，證實它們是由活細胞內的蛋白質形成的液晶結構。以下筆者將對該文章的內容進行詳細解析。

TDP-43包含一個N端的自組裝結構域，一個C端的低複雜區域LCD以及兩個保守的RNA識別基序（圖1）。與全長的TDP-43形成的「實心」液滴相比，這些RNA結合突變體可以在體內形成非常特別的不均小體結構（圖1）。值得一提的是這些突變體的表達濃度遠低於內源TDP-43初始生理濃度的情況下依然可以形成這樣的不均小體，說明該不均小體的形成並非是由過表達引起的假象。通過螢光漂白恢復實驗，作者們確認了該不均小體的外殼以及核心表現都類似於液態。

圖1 TDP-43的結構域以及不同突變體形成的不均小體

RNA結合結構域突變以及與乙醯化相關的突變體均能在細胞內形成不均小體，因此作者們思考是否是由於乙醯化的動態變化引發不均小體的形成，作者們發現通過使用藥物抑制泛乙醯化酶活性足以驅動內源的TDP-43進入不均小體的外殼結構，增加乙醯化水平也可以驅動相同的結果出現。因此，TDP-43上的乙醯化修飾對於不均小體的形成非常關鍵。另外，因為RNA結合缺陷的TDP-43會被蛋白酶體快速降解，所以作者們在思考抑制蛋白酶體能否促進乙醯化的TDP-43形成不均小體。

的確，在神經元類似細胞中，單獨抑制去乙醯化酶的活性只會造成TDP-43包含的液滴的小部分增長，但是在瞬時地、部分地抑制蛋白酶體的活性後，不均小體的數量以及尺寸會出現顯著地增加。在大鼠和小鼠體內神經元中，降低蛋白酶體的活性也可以驅動不均小體的形成。因此，去乙醯化酶活性的抑制以及蛋白酶體的抑制在體外和體內均會驅動內源的TDP-43形成不均小體。

作者們利用完全消光顯微鏡（Complete extinction microscopy）發現RNA結合缺陷型TDP-43組成的外殼結構是為可見的非膜組分，其中還包括了各向異性的亞結構。而這一特性正暗示了該不均小體的液晶特徵。那什麼是液晶呢？液晶像傳統液體一樣流動，但包含非隨機取向的分子，是可以產生雙折射的各向異性的液體【8】。另外，作者們發現RNA結合缺陷型TDP-43能夠招募內源野生型TDP-43進入不均小體的外殼和內部。

既然在體外和體內均證明了TDP-43不均小體的形成，那這些小體的功能是什麼呢？內部是空心的還是由其他功能性蛋白組成的呢？為了回答這些問題，首先作者們對RNA結合缺陷型TDP-43形成的不均小體在細胞內與其他核內組分的分布進行了檢測，發現RNA結合缺陷型的TDP-43形成的不均小體會將包括染色質在內的一些結構排除在外。另外，像FUS等RNA結合蛋白也會被排除在外。然而並非所有的RNA結合蛋白均會被排除在外，像hnRNPA2B1、hnRNPH1以及hnRNPK則會自由進出該不均小體結構。說明TDP-43所形成的不均小體對細胞核內的一些組分具有選擇性。

值得一提的是，在細胞進行有絲分裂的時候，細胞內的不均小體仍然能夠完好無損地暴露其中，然後也會被排除在分裂後間期的細胞核之外（圖2）。這與其他大部分現在已經發現的在有絲分裂期間會消失的小體完全不同。

圖2 TDP-43形成的不均小體在有絲分裂仍保持完整

另外，通過建立數學模型，作者們推斷出不均小體內部存在未知的組分。為此，作者們將臨近標記方法與免疫共沉澱以及定量質譜技術相組合，發現不均小體中富含HSP70家族的分子伴侶（圖3）。而且，作者們發現ATP依賴的HSP70分子伴侶活性對於不均小體結構的完整性非常關鍵。

圖3 TDP-43組成的不均小體中富含HSP70家族分子伴侶蛋白

總的來說，作者們發現脊髓側索硬化症相關突變、乙醯化模擬突變或者是增加野生型TDP-43乙醯化的水平均會通過降低TDP-43的RNA結合能力降低其RNA結合驅動的液-液相分離，從而促使RNA結合缺陷型的TDP-43形成不均的、液態的核殼結構。作者們提出的模型說明HSP70家族在不均小體形成中的重要作用——持續的伴侶活性是產生和維持外殼和內核流動性所必需的關鍵因素。TDP-43和HSP70分子伴侶在驅動和維持TDP-43相分離和阻止TDP-43聚集方面是重要的夥伴關係。因此，該研究對於TDP-43相分離介導的年齡依賴的神經退行性疾病的治療和藥物研發提供了新的參考。

原文連結：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/16/science.abb4309

參考文獻

1. Neumann, M. et al. Ubiquitinated TDP-43 in frontotemporal lobar degeneration and amyotrophic lateral sclerosis. Science(New York, N.Y.) 314, 130-133, doi:10.1126/science.1134108 (2006).

2. Taylor, J. P., Brown, R. H., Jr. & Cleveland, D. W. Decoding ALS: from genes to mechanism. Nature539, 197-206, doi:10.1038/nature20413 (2016).

3. Banani, S. F., Lee, H. O., Hyman, A. A. & Rosen, M. K. Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry. Nature reviews. Molecular cell biology18, 285-298, doi:10.1038/nrm.2017.7 (2017).

4. Woodruff, J. B. et al. The Centrosome Is a Selective Condensate that Nucleates Microtubules by Concentrating Tubulin. Cell 169, 1066-1077.e1010, doi:10.1016/j.cell.2017.05.028 (2017).

5. Hnisz, D., Shrinivas, K., Young, R. A., Chakraborty, A. K. & Sharp, P. A. A Phase Separation Model for Transcriptional Control. Cell169, 13-23, doi:10.1016/j.cell.2017.02.007 (2017).

6. Feric, M. et al. Coexisting Liquid Phases Underlie Nucleolar Subcompartments. Cell165, 1686-1697, doi:10.1016/j.cell.2016.04.047 (2016).

7. West, J. A. et al. Structural, super-resolution microscopy analysis of paraspeckle nuclear body organization. The Journal of cell biology214, 817-830, doi:10.1083/jcb.201601071 (2016).

8. Pelzl, G. & Hauser, A. J. P. T. Birefringence and phase transitions in liquid crystals. 37, 33-62 (1991).

相關焦點

  • 新發現表明HSP70與無RNA的TDP-43共同形成了核內凝集物
    新發現表明HSP70與無RNA的TDP-43共同形成了核內凝集物 作者：小柯機器人 發布時間：2020/12/18 22:26:19 美國加州大學聖地牙哥分校Don W.
  • 超低碳貝氏體的組織結構及形成機制
    超低碳貝氏體鋼是一類高強韌性的新型鋼種，其組織結構及其形成機理研究尚少。應用純鐵、超低碳合金鋼，加熱奧氏體化後激冷；得到的等軸狀鐵素體、塊狀組織和超低碳貝氏體等組織形貌，認為超低碳的塊狀轉變組織與超低碳貝氏體都是中溫區轉變產物，本質上是一致的。
  • 早期的宇宙結構,是如何形成的?
    這些密度差異正是當今宇宙大尺度結構形成的開端。然而，我們很難解釋宇宙初始漲落是如何以數量級的幅度增長，並導致如今的密度差異。紐西蘭奧克蘭大學的Nathan Musoke等人，利用高精度的數值計算來預測初始較小的量子漲落如何演化。通過只關注一個時間非常早、空間非常小的特定區域，他們能夠通過自洽計算追蹤這些量子漲落的演變。
  • 護膚小知識:黑色素形成的原因及其代謝
    我最近和很多小仙女聊天，大家都提到長痘痘之後皮膚表面會留下一個黑印子。黑印子在面部上的話是非常影響美觀的。黑印子是怎麼形成的呢?接下來我們一起了解一下。黑素細胞像章魚一樣伸出枝狀的微管連接到與之毗領的角質形成細胞。如果受到日光照射、紫外線刺激後，黑色素馬上變多，其先加速把自己合成黑素小體，再通過微血管輸送到角質層形成的細胞中，並加速分泌更多的黑色素。黑色素本是人體的天然防曬劑，它們可以強烈的吸收紫外線，以防紫外線直接到達細胞核，損傷胞核中的DNA，並引導一系列損傷和炎症的過程。這也是為什麼黑色素總是分布在角質形成細胞的上方。
  • 染色質和染色體的結構
    在染色質的主要成分中，DNA和組蛋白是穩定存在的，DNA與組蛋白之比約為1:1非組蛋白與RNA的含量則隨著細胞生理狀態的不同而變化，非組蛋白與DNA含量之比為（0.2~0.8）:1，RNA與DNA含量之比約為0.1:1.通常細胞代謝活動越旺盛，非組蛋白和RNA的含量就越高。細胞中的DNA絕大部分存在於染色質中，並且含量十分穩定。
  • 巖漿-巖漿的形成和運移
    巖漿的形成1、巖漿形成的基本條件：①源區的巖石，即巖漿發生之前已經存在於地幔或地殼的巖石作為熔融巖漿的母巖； ②足夠的熱能累積； ③時間積累 ④其他因素：地幔或地殼內部由於黏性剪切力的作用也可以導致局部增溫誘發巖漿熔融。
  • 行業聚焦|液晶面板製造工藝流程
    難道這是說，液晶顯示器其實是技術含量不好的產品嗎？其實不然，液晶面板的生產製造過程非常繁複，至少需要300道流程工藝，全程需在無塵的環境、精密的技術工藝下進行。 液晶面板的大體結構其實並不是很複雜，筆者將其分為液晶板與背光系統兩部分。
  • 核糖體、中心體、細胞骨架的結構和功能
    還有些核糖體不附著在膜上，而呈游離狀態，分布在細胞質基質內，稱為游離核糖體。附著核糖體和游離核糖體所合成的蛋白質種類不同，但核糖體的結構和化學組成是完全相同的。細胞內有兩種類型的核糖體：一種是70S的核糖體，原核細胞中的核糖體屬於此類，真核細胞線粒體與葉綠體內的核糖體也近似於70S ；另一種是80S的核糖體，存在於真核細胞中。不論70S或80 S核糖體，均由大小不同的兩個亞單位構成。
  • Nature Plants丨姜裡文團隊提出液泡形成新模型,為液泡起源提供了新證據
    在植物細胞中，液泡分為兩種功能不同的形式，分別為蛋白貯存液泡（protein storage vacuole, PSV）和溶解液泡【2,3】。儘管溶解液泡在植物細胞中是最重要的細胞器，但是它的起源仍不明確。在過去的40年中，針對溶解液泡的形成機制，研究者們提出了兩種不同的模型：一種模型認為反面高爾基網是液泡形成的主要來源，另一種認為內質網是主要來源。圍繞著兩種模型始終存在著大量爭論。
  • 核膜解體形成的小泡是雙層膜嗎?
    核膜崩解主要有兩種假說：一種假說認為崩解的膜泡組分孤立存在，並不相互融合，也不與內質網混合，主要證據是，在爪蟾卵提取物中可以分離到含有特定核膜蛋白的膜組分；另一種假說主要認為崩解的核膜組分完全融入到內質網上，主要證據是通過螢光顯微鏡觀察，可以看到內層核膜蛋白完全和內質網共定位。
  • 家有兒郎必收藏,聚焦社會熱點,圖解七下生物眼球結構和視覺形成
    縱觀近年來各地生物中考試題，眼球和耳的結構及各組成部分的功能；視覺和聽覺的形成過程；近視的成因及預防方法；導致耳聾的各種因素及預防措施是中考命題的熱點內容，往往考查同學們容易混淆的知識點。例如：視覺形成的部位是大腦皮層的視覺中樞，物像形成的部位是視網膜；聽覺形成的部位是大腦皮層的聽覺中樞，耳蝸裡有聽覺感受器，與接受刺激，產生神經衝動有關等等。試題常多以讀圖分析題或選擇題的形式出現，可能會結合社會熱點，設置一種情境，讓學生分析多種因素的綜合運用，比如穿插反射、食物中的營養物質等相關內容，應予以重點關注。
  • 皮膚黑色素形成
    皮膚顏色的深淺是由黑素細胞合成黑素數量的多少決定，而皮膚白則是東方女性最為崇高的美的標準之一。黑素為高分子生物色素，主要由兩種醌型的聚合物：優黑素(真黑素)和褐黑素組成。2、黑素的形成皮膚黑素的形成過程包括黑素細胞的遷移、黑素細胞的分裂成熟、黑素小體的形成、黑素顆粒的轉運以及黑素的排洩等一系列複雜的生理生化過程。
  • 論文解讀-吞噬細胞的抗菌機理及細菌逃避策略——吞噬小體的形成與...
    因為新生的吞噬體膜及其內容物是無害的，它們必須經過劇烈的轉化才能獲得與天然免疫相關的殺菌和降解特性。這種被稱為吞噬體成熟的轉換是通過嚴格編排的融合和分裂事件來完成的(圖1)，因此，有效的吞噬作用需要兩個組成部分：顆粒內化和吞噬小體成熟。
  • 角質細胞脂質包膜的形成與功能
    我們在這裡回顧了CLE的結構、組成和可能的功能。在表皮終末分化的同時，顆粒(SG)細胞的質膜消失，同時形成角質化包膜(CE)及其相關的外膜單層，角質細胞脂質包膜(CLE)(圖1)。CLE由一層超長鏈的ω-醯化羥基神經醯胺（ω-OH-Cer；OS，或ω-OH醯基鞘氨醇）和少量的ω-羥基脂肪酸（ω-OH-FA）組成，主要共價結合在內皮蛋白中的穀氨酸殘基上，位於角質化包膜的外部（圖1）。在已知的五種神經醯胺酶亞型中，兩種（鹼性和酸性）存在於角質層(SC)。鹼性形式低水平存在於整個SC中，酸性異構體在CLE附近定位。
  • [科普】皮膚黑色素的形成
    2、黑素的形成    皮膚黑素的形成過程包括黑素細胞的遷移、黑素細胞的分裂成熟、黑素小體的形成、黑素顆粒的轉運以及黑素的排洩等一系列複雜的生理生化過程。即在由多巴色素自發脫羧、重排生成5，6--羥基吲哚(DHI)的同時，黑色素細胞內部分多巴色素正是由於多巴色素互變酶的存在而發生重排生成5，6--羥基吲哚一2一羧酸(DHICA)。因此該酶主要調節5。6一二羥基吲哚一2羧酸的生成速率，從而影響所生成的黑色素分子的大小、結構和種類。
  • 植物細胞在分裂過程中如何形成紡錘體?
    為了確保遺傳物質即染色體的均勻分配，分裂細胞可以形成紡錘體。紡錘體是由蛋白質組裝成而成的紡錘絲構成。當分裂開始時，這些細絲（稱為微管）直接與染色體連接並將染色體排列在細胞中心。隨後，紡錘絲收縮將染色體分離。細胞準確和快速的進行分裂對於有機體而言非常重要。因此，馬達蛋白（motor-proteins）或驅動蛋白（kinesins）有助於組織形成微管，以形成紡錘體與染色體連接，並最終分離出染色體。
  • 首次在人活細胞中追蹤到DNA的四重螺旋結構的形成
    來源：CC0 Public Domain早在1953年，沃森和克裡克首次揭開DNA的結構之謎。從那以後，DNA的雙螺旋結構便深入人心。近幾年，一種「四螺旋」的 DNA 結構如雨後春筍般地從科研界中「冒」了出來，這種結構通常被稱為G-四鏈體（G4s）。先前的研究發現，G4s在癌細胞內被大量檢測到，可能與癌症相關基因關係密切，並且推測G4s或許可以用作早期癌症診斷和治療中新的分子靶標。
  • 葉綠素的形成
    而後，1865年，德國植物學家薩克斯證明，葉綠素 並不是一般地彌散在所有的細胞中（儘管葉子看上去綠色很均 勻），而是局限在小的亞細胞體(稱做葉綠 體)內。 光合作用是在葉綠體內進行的。葉綠素對 光合作用過程是必不可少的，但是只有葉綠素是不夠的。不論怎 樣小心地提取，所得到的葉綠素本身在試管裡都不能催化光合反 應。葉綠體通常比線粒體大得多。有些單細胞植物，每個細胞只 有一個大的葉綠體。
  • 宇宙的結構是如何形成的?一項長達十年的研究為我們揭秘
    星系群宇宙中存在著數以萬億計的星系，而它們在宇宙中的分布並不是均勻的。它們在一些區域形成高密度的星系群，而在另一些區域則發散分布。我們都知道宇宙誕生於宇宙大爆炸，那麼宇宙的結構究竟是怎樣從誕生時刻演化為現在的模樣的呢？來自智利的卡耐基拉斯帕納斯天文臺的科學家利用臺上的望遠鏡進行了一項長達十年、觀測了成百上千個星系的研究 ，並為如何解答宇宙結構形成和演化這一基礎問題提供了新的方案。這是一項直接的、基於觀測的對於其中一個宇宙柱狀圖的測試。這個項目的名稱為卡耐基-斯皮策-IMACS紅外研究。
  • 沉木是怎樣形成的?
    所謂碳化作用是指在缺氧、高壓狀態下，厭氣微生物通過分解破壞木材遺體的有機成分組成而吸取養分，並消耗了木頭中的氧，使木頭逐漸變成碳質化的過程。當酸度越高時，微生物活動越弱，導致碳化作用逐漸受到抑制，因此使得其木質結構仍然可以保存相當完整的程度，不過，其材質在不同程度的碳化作用之影響下，已經產生一些結構上的變化，包括質地變成十分緊密而堅硬，強度很高，難以使用手工或機械加工，較不易吸水，比重大能沉入水中，以及顏色接近黑褐色等。