【科技前沿】張宏團隊總結膜生物學中的相分離:​有膜細胞器與無...

真核細胞相較於原核細胞，重要區別之一是真核細胞中存在著各種由膜包裹形成的細胞器，如細胞核、內質網、線粒體、溶酶體及脂滴等。這些有膜細胞器把細胞分隔成一獨立的空間，進而保障細胞內各種反應能夠在特異空間內發生。同時這些細胞器又可以通過囊泡運輸和膜互作等多種方式進行著物質、信息和能量的交流。近年來，人們發現細胞內還存在著一類無膜細胞器，如P小體（processing body）、應激顆粒（stress granule）、旁斑（paraspeckles）等。這些無膜細胞器通過液-液相分離（liquid-liquid phase separation，LLPS）形成（）。相分離解釋了在沒有膜結構參與的情況下（），細胞內特定分子如何聚集並維持成具有一定流動性的液體狀態，在細胞內的特定區域完成其生理功能【1-3】。最近越來越多的研究發現有膜細胞器和無膜細胞器之間存在著緊密的聯繫，協同參與多種生理活動。

2020年9月28日，中國科學院生物物理研究所張宏研究員應邀在Developmental Cell雜誌上發表題為：Phase separation in membrane biology: the interplay between membrane-bound organelles and membraneless condensates的綜述文章。此文章作為Developmental Cell封面進行展示，首次系統地總結了現有關於有膜細胞器與無膜細胞器相互作用方面的研究，通過多個方面探討了兩種細胞器互相影響的方式，以及如何彼此協調從而實現細胞內各種重要的生命功能。

封面圖：圖正中櫥窗內球狀結構代表蛋白質（小棒狀結構）形成的無膜細胞器；右側櫥窗內呈現了蛋白凝集體在內質網（深灰色網狀結構）表面形成；左側櫥窗內展示了線粒體（腎形結構）聚集在蛋白凝集體中（如早期發育階段卵細胞內的Balbiani小體）。此封面為清華大學美術學院張善銳創作。

1. 細胞膜為無膜細胞器形成提供平臺

雖然細胞裡很多凝集體在細胞質或核質內形成並呈球狀，如P小體和應激顆粒；但也存在另一類凝集體可以在膜表面形成，且形狀多數不規則。細胞膜作為細胞內外溝通的關鍵結構，可以直接激活蛋白相分離過程。細胞膜受到外界信號刺激後，通過限制蛋白分子擴散和/或促進蛋白相互作用等途徑，降低下遊蛋白發生相分離的濃度，促進蛋白相分離形成凝集體，以實現特定功能。

例如，細胞膜表面的腎素粘附複合物（nephrin adhesion complex）和T細胞受體（T cell receptor，TCR）被激活後，通過自身的SH2和SH3結構域或下遊含SH2和SH3結構域的蛋白及PRM蛋白發生多價結合，引起相分離，進而激活下遊反應【4，5】。相分離也通過在局部細胞膜下形成凝集體，參與細胞不對稱分裂過程和細胞緊密連接（tight junction）的建立。

圖1. 蛋白凝集體在細胞膜表面形成

2. 內質網調控無膜凝集體的生成和動態變化

內質網作為細胞內最大的細胞器，由片狀和管狀兩種形態交互形成網狀結構。內質網是蛋白翻譯的重要場所，也是多種細胞器形成的關鍵部位。在調控無膜細胞器方面，內質網同樣發揮了重要作用。

哺乳動物中，不同的膜蛋白mRNA剪切體，由於3』非翻譯區（3』untranslated region，3』UTR）的差異，可以引導同樣的蛋白定位於細胞不同部位並發揮功能。Ma等人發現RNA結合配體蛋白TIS11B可以發生相分離，形成TIS顆粒。TIS顆粒與內質網相互交織形成網狀結構，從而將含有富含AU序列的mRNA局限其中，促進mRNA與效應蛋白SET的相互作用，最終幫助蛋白正確定位【6】。飢餓條件下，分泌途徑COPII組分在內質網輸出位點（ER exit site, ERES）形成凝集體，作為一種保護機制幫助細胞存活。自噬早期蛋白也在內質網特定位點發生相分離，觸發自噬小體的成核和延伸。另外，內質網還可以與調控P小體和應激蛋白的形成，並通過與這些核糖核蛋白（ribonucleoprotein，RNP）小體直接接觸調控其分裂【7】。

圖2. 內質網為無膜細胞器形成提供位點，參與無膜細胞器的分裂

3. 蛋白相分離幫助有膜細胞器形成聚集體

相分離過程不僅存在於蛋白分子之間，脂類也可以發生相分離，形成特異的膜結構如脂筏。囊泡膜上的脂類通過與蛋白質相互作用，可以形成蛋白囊泡凝集體。這種凝集體結構兼具相對穩定且易於調控的特性，不僅有助於囊泡的局部儲存，而且在受到刺激後囊泡可以快速解離並釋放。

例如，神經突觸中的突觸小泡表面蛋白synapsin 1，富含SH3結構域，可以通過相分離形成液滴樣凝集體，從而使突觸小泡形成聚集體。當突觸受到刺激時局部鈣濃度發生變化，CaMKII被激活並磷酸化synapsin 1，破壞聚集體的穩定性，最終引起突觸小泡的解離和釋放【8】。分泌途徑、病毒感染和卵細胞發育等過程中，均存在相似的相分離調控囊泡聚集現象。

圖3. 相分離介導有膜細胞器的聚集和儲存

4. 有膜和無膜細胞器協同完成蛋白質轉運

蛋白質在內質網合成後，需要通過多種途徑定位到正確部位發揮功能。除經典的分泌和轉位子（translocon）途徑外，相分離也可以促進蛋白的轉運。相分離形成的各種核糖核蛋白小體，可以通過蛋白間的相互作用錨定在細胞器上，並隨著細胞器定向運動達到遠距離運輸目的。為了達到特異的跨膜轉運，蛋白也會通過相分離形成凝集體，然後與膜上的轉位子複合體結合併解離，最終達到亞細胞器定位。另外，核孔複合體也是典型的液滴結構，核孔蛋白（nucleoporin，Nup）通過相分離形成篩狀結構，小分子可以自由進出，而大分子需通過核受體運輸。核受體表面的疏水結構可以局部破壞核孔蛋白的相互作用，進而幫助大分子穿過核孔。

圖4. 有膜和無膜細胞器協同完成蛋白質轉運

5. 蛋白通過相分離形成聚集體並被自噬小體包裹運輸

自噬選擇性降解底物的過程，也受到了相分離的調控。底物蛋白首先在各種受體和支架蛋白調節下發生相分離，然後自噬膜圍繞聚集體形成。此過程受到了精細的調控，液滴的大小和狀態均影響了底物蛋白的自噬降解效率。

張宏實驗室通過研究線蟲發育早期生殖細胞特有蛋白PGL-1和PGL-3的分布，發現這些蛋白也可以隨生殖細胞的不對稱分裂進入體細胞，但體細胞中的PGL-1/3會很快被自噬降解。PGL-1/3首先經過相分離聚集成液滴，然後被支架蛋白EPG-2包裹形成流動性較低的膠化狀態，最終引起自噬小體圍繞液滴形成【9】。酵母中自噬底物蛋白Ape1的降解需要經過類似的相分離和膠化過程【10】。自噬底物p62和應激顆粒的凝集狀態也影響其自噬降解效率，且與疾病狀態密切相關。這些結果說明凝集體的膠化狀態可能對於膜的延伸或形變有重要影響。

圖5. 自噬小體圍繞特定狀態的蛋白凝集體形成

總結和展望

以上這些研究揭示了有膜細胞器和無膜細胞器之間存在著廣泛的相互作用，並參與了一系列生命過程。膜結構為相分離提供了平臺，同時也主動參與了相分離過程的調控。反之，相分離也影響了有膜細胞器的組織、儲存和釋放。無膜細胞器的形成幫助了蛋白的高效轉運，也促進了底物蛋白的自噬降解。但是這些研究僅是個開端，這個領域有更多的問題未能解決，更多的未知有待發現，對兩種細胞器之間的調控和功能進行深入探索將幫助我們破解更多細胞生物學的未解之謎。

中國科學院生物物理研究所張宏研究員為本文通訊作者，麻省大學醫學院趙燕（近期加入南方科技大學生命科學院）為本文第一作者。

原文連結：

https://www.cell.com/developmental-cell/pdf/S1534-5807(20)30541-4.pdf

參考文獻

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2. Boeynaems, S., Alberti, S., Fawzi, N.L., Mittag, T., Polymenidou, M., Rousseau, F., Schymkowitz, J., Shorter, J., Wolozin, B., Van Den Bosch, L., et al. (2018). Protein Phase Separation: A New Phase in Cell Biology. Trends Cell Biol. 28, 420-435.

3. Shin, Y., and Brangwynne, C.P. (2017). Liquid phase condensation in cell physiology and disease. Science 357, eaaf4382。

4. Li, P., Banjade, S., Cheng, H.C., Kim, S., Chen, B., Guo, L., Llaguno, M., Hollingsworth, J.V., King, D.S., Banani, S.F., et al. (2012). Phase transitions in the assembly of multivalent signalling proteins. Nature 483, 336-340.

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7. Lee, J.E., Cathey, P.I., Wu, H., Parker, R., and Voeltz, G.K. (2020). Endoplasmic reticulum contact sites regulate the dynamics of membraneless organelles. Science 367, eaay7108.

8. Milovanovic, D., Wu, Y., Bian, X., and De Camilli, P. (2018). A liquid phase of synapsin and lipid vesicles. Science 361, 604-607.

9. Zhang, G.M., Wang, Z., Du, Z., and Zhang, H. (2018). mTOR Regulates Phase Separation of PGL Granules to Modulate Their Autophagic Degradation. Cell 174, 1492-1506.

10. Yamasaki, A., Alam, J.M., Noshiro, D., Hirata, E., Fujioka, Y., Suzuki, K., Ohsumi, Y., and Noda, N.N. (2020). Liquidity Is a Critical Determinant for Selective Autophagy of Protein Condensates. Mol. Cell 77, 1163-1175.

本文轉載自公眾號「BioArt」（BioGossip）

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原標題：《【科技前沿】張宏團隊總結膜生物學中的相分離：​有膜細胞器與無膜細胞器的相互作用》

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