《Cell丨揭示细胞短距离囊泡运输新机制——突触前膜相分离三部曲》

  • 来源专题:战略生物资源
  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2024-03-31
  • 2024年3月28日,张明杰院士团队在Cell上发表了题为Short-distance vesicle transport via phase separation的文章。

    在细胞内,长距离的物质运输主要是通过马达蛋白牵引货物沿着细胞骨架进行定向移动来实现的。然而,细胞内同样存在着许多短距离定向运输的需求,例如突触前膜的突触小泡需要从储备区(reserve pool)调动至活性区(active zone),以及COPII和COPI囊泡在高尔基体潴泡间定向转运等。对于这类短距离运输,依赖于马达蛋白和细胞骨架的方式不仅能耗过大,而且通常这些短距离运输的场景并不涉及细胞骨架的参与。另一方面,被动扩散虽然能发生,但却无法满足方向性的运输需求。因此,细胞如何巧妙地应对这种短距离定向运输的挑战,是细胞生物学研究领域里悬而未决的问题。

    该研究揭示了一种新型的由相分离介导的囊泡运输方式,该方式既摆脱了传统远程运输对马达蛋白与细胞骨架的依赖,又解决了被动扩散无法提供方向性的问题。我们有理由相信,在更广阔的细胞生物学领域,这种相分离介导的短距离囊泡定向运输方式将展现出更普遍的应用前景。这一发现不仅深化了我们对细胞内部物质运输机制的理解,也为未来相关疾病的治疗和药物研发提供了新的思路和方向。

  • 原文来源:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00251-4
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    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2020-01-10
    • Developmental Cell杂志在线发表了北京大学生命科学学院宋艳研究组题为“Mitotic implantation of the transcription factor Prospero via phase separation drives terminal neuronal differentiation”的研究论文。该文揭示了果蝇发育过程中,一个转录因子通过液-液相分离“植入”神经前体细胞有丝分裂期染色体,通过促进H3K9me3+异染色质凝聚确保神经元终末分化的新现象和新机制。 当细胞进入有丝分裂期,由于染色质凝缩形成高度致密的染色体,绝大多数基因转录的关键调控元件(包括转录因子)会从染色体上脱离。在这项工作中,研究者通过免疫荧光染色和荧光显微动态成像意外地发现转录因子Prospero(Pros)可以形成小的聚集体 (foci)并滞留在果蝇神经前体细胞有丝分裂期染色体(图1)。Pros是在进化上高度保守的同源域 (homeobox)转录因子,与其在哺乳动物中的同源基因Prox1一同在促进细胞终末分化过程中起着关键性的作用。那么,Pros为什么可以保留在结构致密的染色体上?这一转录因子的染色体植入(mitotic implantation)现象又有什么样的生理学功能?通过精细的果蝇完整脑荧光动态成像、完整脑光漂白恢复、光液滴(optoDroplet)、体外相分离等多种技术手段,研究者观察到了令人惊讶的结果,即Pros蛋白是通过液-液相分离植入并保留在神经前体细胞H3K9me3标记的近着丝粒异染色质区(图1)。当神经前体细胞进入有丝分裂末期,保留在异染色质区的Pros蛋白招募并浓缩H3K9me3阅读器 HP1a成为相分离的凝聚体 (condensates),并促进其转变为低流动性的近凝胶状态,从而驱使新生成的神经元中H3K9me3+异染色质区域的凝缩和扩展(图2)。 研究者进一步的DamID-seq、DNA FISH和动态成像实验结果表明,当神经前体细胞分裂产生两个神经元时,Pros从H3K9me3标记的异染色质区域解离下来,同时携带一部分HP1a到其关键目的基因(促进干细胞自我复制和推动细胞周期的重要基因),继而通过HP1a介导这些基因所在染色质区域发生局部凝缩,关闭这些基因的表达。另外,这些发生染色质局部凝缩的Pros目的基因位点可能通过HP1a介导的液滴融合与神经元中富含HP1a的异染色质区靠近,从而进一步促使这些关键基因的永久沉默,确保神经元的终末分化。 值得一提的是,Prox1可能也采用“染色体植入驱使异染色质凝缩”这一策略来确保神经元的终末分化。另外,研究者发现Pros蛋白还可以形成聚集体保留在果蝇肠道前体细胞的分裂期染色体上。因此,这项研究所揭示的新现象和新机理可能代表了转录因子通过染色体植入驱使异染色质凝缩和细胞终末分化的普适规律。 液-液相分离作为细胞内的一种自组织方式,为我们理解许多生物学现象提供了崭新的视角。然而,在生理条件下相分离是否真正参与调控重要的生物学过程还有待更确凿有力的证据 [7,8]。通过将Pros蛋白中介导相分离的关键位点进行点突变或删截,该工作的研究者在不影响内源表达量、入核能力及转录活性的基础上构建了特异缺失相分离能力的Pros突变体。相分离能力的特异缺失使得Pros无法保留在染色体上,相应也失去了其调节异染色质凝缩及促进神经元终末分化的功能。更为重要的是,通过与已知驱动相分离的内在无序区域(IDR)融合来恢复Pros的相分离能力,Pros的染色体滞留及其促进异染色质凝缩和神经元分化的能力可以被有效恢复。因此,通过特异的突变与回补实验和严谨的定量分析,这项研究首次建立了转录因子的液-液相变与生理条件下一系列重要生物学事件之间的因果关系,为相分离在动物发育过程中的重要生理学意义提控了强有力的证据。研究者推测其它滞留染色体的转录因子可能采用类似的液-液相分离的策略来实现其染色体滞留,并通过重塑染色质三维结构来调控细胞命运决定过程。 综上所述,这项研究出乎意料的结果揭示了转录因子通过其生物物理特性的变化引起异染色质结构重塑,进而驱动细胞终末分化的新机制,为进一步探索细胞分化过程中异染色质的动态变化和调控机理提供了新视角和新思路。
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    • 编译者:苑亚坤
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