Cell |ESCRT-III亞基的順序聚合驅動膜形變和分裂

2020-09-06 BioArt

撰文 | Volibear


真核細胞有著極其複雜的膜系統，該系統需要使用膜重塑裝置來維持其動態平衡。很多生理過程例如細胞分裂、蛋白的溶酶體降解乃至細胞自噬等，都伴隨著膜的形變與分裂過程，但是膜的形變和分裂是如何發生的？之前的研究已經表明，轉運所需的內體分選複合物III（The endosomal sorting complex required for transport-III, ESCRT-III）可以催化膜頸部內膜的形變與分裂，但是這一過程的機理仍然很不清楚。


近日，來自日內瓦大學的Aurélien Roux在Cell 上發表了題為An ESCRT-III Polymerization Sequence Drives Membrane Deformation and Fission 的文章，發現ESCRT-III亞基的順序聚合由ATPase Vps4提供動力的連續亞基轉換驅動的，而這一順序聚合可以驅動膜的形變以及分裂。在此過程中，Vps24與Did2的交換引起聚合物-膜界面的傾斜，觸發從扁平螺旋聚合物到螺旋纖維的過渡，進而驅動膜突起的形成，並最終形成高度收縮的Did2-Ist共聚物。當與膜頸內部結合時，該共聚物能夠促進膜分裂。



傳統的觀點認為ESCRT-III是由ESCRT-II招募的，首先從Vps20開始，然後是核心子單元Snf7，Vps2和Vps24。Vps2和Vps24串聯結合Snf7，然後募集AAA ATPase Vps4，從而誘導ESCRT-III中的亞基轉換，進而促進了聚合物的分解。在該項工作之前，已經有科學家嘗試用ESCRT-III核心亞基在體外重建膜分裂，但是得到的有關Vps4的作用卻是互相矛盾的，再者，用這些亞基（Snf7，Vps2和Vps24）重組後觀察到的聚合物半徑超過了15nM，儘管可以通過添加Vps4 來進一步實現聚合物的進一步壓縮，但是這些尺寸距離自發分裂所需的3nM 理論極限相距甚遠，這提示了在ESCRT-III依賴性膜分裂中還有其他因素或機制起作用。


作者首先在體外用核心的亞基重組，發現ESCRT-III複合物的亞基確實是級聯招募的：膜結合的Snf7募集Vps2-Vps24，後者募集Vps2-Did2，然後募集Ist1。為了進一步探究複合體中最缺乏了解的Vps2-Did2複合體的性質，作者對與Vps2，Vps24和Did2孵育的Snf7包被的脂質體進行了負染電子顯微鏡觀察，他們發現如先前報導的那樣，Snf7會先形成單鏈螺旋，在添加Vps2和Vps24後，其轉變為雙鏈螺旋的多聚體，進一步添加Vps2-Did2導致進一步形成三鏈螺旋，表明Vps2-Did2沿著Snf7-（Vps2-Vps24）纖維形成了第三條纖維。而值得注意的是，將單獨的Vps2-Did2加到Snf7-螺旋上形成了纏結的多股螺旋狀聚合物，表明Vps2-Did2足以誘導Snf7的成束。為了更好地理解Did2-Vps2和Vps24-Vps2在ESCRT-III聚合物中如何相互作用，作者將Snf7為核心形成的斑塊與Vps2，Atto565-Did2和逐漸增加的Vps24濃度一起孵育，通過調整各個亞基的化學計量數，作者證明了Vps2-Vps24和Vps2-Did2儘管在ESCRT-III組裝中具有看似重複的功能，但它們實際上功能有所差別，其中Vps2-Vps24對Snf7聚合物具有更強的親和力，而Vps2-Did2對Vps4的調節則更有效。由於對Snf7具有更強的親和力，因此Vps24-Vps2會被首先招募到Snf7形成的斑塊中。然後將Vps24交換為Did2，Did2刺激了Vps4活性以去除Snf7，進而促進Snf7聚合物的解體。



後續的研究證實，ESCRT-III是一種動態聚合物，其成核後會自發形成由Vps4驅動的組裝和解聚順序，其順序由不同的亞基的生化特性決定。作者發現最初Snf7結構主要募集Vps2-Vps24，因為它具有對Snf7具有更高的親和力。Vps2-Vps24招募Vps4，然後通過Vps2-Vps24低水平地促進纖維生長。隨著Did2水平的提高，其會進一步刺激Vps4活性，高靈敏度的Snf7和Vps24纖維迅速解聚，而Vps2延遲解聚，Did2受Ist1保護而無法解聚。重要的是，這些活動發生時，各個亞基都是過量存在的，這表明作者觀察到的組裝和解聚是單向的。而這種ESCRT-III的順序聚合可驅動膜變形，而之前功能不太清楚的Ist亞基的角色則是促進膜的收縮和分裂。那麼順理成章地，作者後續又證明了ESCRT-III聚合順序可以在體外分裂膜的瓶頸部分。在vps4催化下，Snf7-Vps2-Vps24聚合物順序轉化為Did2-Ist1聚合物，可以誘導足夠的收縮ESCRT-III組件促進有效的膜分裂。


總之，作者通過他們用體外重組的方式，揭示了ESCRT-III介導的膜分裂的三個基本特徵。首先，作者表明膜形變與亞基化學計量變化相關的纖維形狀變化有關。第二，確定複合體組裝的最後一個複合物最後一個複合物Did2-Ist1能夠促進膜分裂。第三，作者證明了在膜分離的瓶頸處，這種順序的組裝驅動了ESCRT-III複合物的形成。這揭示了ESCRT-III複合體重構膜的一般機制。


原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.021

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