Dev Cell | 内质网膜接触位点如何促进内体成熟

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内质网 (endoplasmic reticulum) 是细胞内面积最广的细胞器，内质网膜占据了细胞内大约60%的生物膜【1】。内质网可以被分成三个区域，并具有不同的形态和功能：核染色质周围的核膜 (nuclear envelope)；铺满核糖体的片状内质网 (ER sheets)，是分泌蛋白或膜蛋白进入分泌系统或插入膜的部位；以及管状内质网 (ER tubules)，其功能是调节脂质和离子稳态以及细胞器运输、分裂及融合【1,2】。管状内质网可以与其他细胞器形成膜接触位点 (membrane contact sites)，这些膜接触位点可以使两个正在接触的细胞器沿着微管一起移动【2】。管状内质网可以和所有已知膜性细胞器形成膜接触位点，甚至可以与无膜细胞器形成接触位点【3】。内体(endosomes) 就是其中一个可以与管状内质网形成膜接触位点的细胞器。内体-内质网膜接触位点有许多功能：包括了调节内体的运输，脂稳态以及内体分裂和内体中货物的分选。这些功能对调节细胞信号通路，脂类代谢等过程都起到至关重要的作用，而这些功能失常会造成许多严重的疾病【4】。

内体-管状内质网膜接触位点的其中一个特点是随着内体成熟，这些膜接触位点的数量会增加【5】。而目前人们并不知道为什么这些膜接触位点的数量要增加，以及这些增加的膜接触位点的功能是什么。

近日，来自美国科罗拉多大学波尔德分校以及霍华德·休斯医学研究所 (HHMI) 的Gia Voeltz教授及其博士研究生吴昊肸（xī）在Developmental Cell发表研究Reticulon-3 Promotes Endosome Maturation at ER Membrane Contact Sites。该研究通过高分辨率活细胞动态成像发现了一对新的内体-内质网膜接触位点蛋白：Reticulon-3和Rab9a，并证明此膜接触位点的功能室促进内体成熟【6】。

为了找到新的管状内质网膜接触位点蛋白，研究者首先将精力集中在了管状内质网膜蛋白上。早在2006年，Gia Voeltz教授在哈佛医学院Tom Rapoport实验室进行博士后研究期间，找到了一类只在管状内质网上的蛋白叫reticulons (Rtns)，并且找到其中一个家族成员Rtn4a的主要功能是管状内质网的形态发生【7】。而动物细胞里有四个reituclons，这些reticulons的膜结构域非常保守，而细胞质结构域的序列则不保守，除了Rtn4a之外，我们并不了解其他三个reticulons的功能。研究者假设其他reticulons可能可以通过其不保守的细胞质结构域执行不同的功能。因此，研究者分析了另外一个Rtn家族成员Reticulon-3L (Rtn3L) 的功能。

首先，研究者测试了Rtn3L是否与Rtn4a的功能一样。通过CRISPR-Cas9基因敲除来分析两个蛋白对内质网形态的影响，研究者得出了两个蛋白的功能并不一样的结论。

研究者之后分析的了Rtn3L的在管状内质网上的定位，并发现Rtn3L并不像Rtn4a一样覆盖整个管状内质网，而是集中在特定的位点。研究者继而用高分辨率活细胞动态成像分析了这些Rtn3L位点，并发现这些位点大多是晚期内吞通路和内质网的膜接触位点。

因此，研究者分析了不同内吞通路的标记蛋白，发现了Rtn3L在早期内体 (early endosome) 以及晚期内体 (late endosome) 的转换时期被募集到内体上。并找到了募集Rtn3L到内体上的蛋白Rab9a。之后，研究者通过结构功能分析找到了Rab9a通过一个FSV序列结合Rtn3L的6个LIR(LC3-interacting region) 序列来募集Rtn3L。通过基因沉默以及生物化学的分析，研究者证明了Rab9a在此通路的上游募集Rtn3L到内体上形成这个内体-内质网膜接触位点。

之后，研究者测试了这对新发现的膜接触位点蛋白的功能，并发现Rab9a-Rtn3L膜接触位点的功能是调节内体成熟。通过基因沉默以及敲除的手段，研究者发现了在细胞敲除Rtn3L或者Rtn3L/Rab9a的表达量降低时，内体可以被内吞但不能正常地从早期转化为晚期内体。而因为对内体成熟的调节，研究者发现了在细胞敲除Rtn3L或者Rtn3L/Rab9a的表达量降低时内体货物分选过程也不能正常工作。

总的来说，该研究找到了一对全新的内体-内质网膜接触位点蛋白，并且发现了他们的功能是调节内体成熟。该研究建立了管状内质网膜蛋白 (比如reticulons) 的工作模型：用它们独特的膜结构域集中在管状内质网上，同时通过朝向细胞质的结构域来发挥功能。许多其他管状内质网膜蛋白都符合这个工作模型。最后，该研究的结构功能分析揭示了一个可能的信号通路调节的方式。Rtn3L的LIR序列可以在正常情况下结合Rab9a的FSV序列，而在细胞长期饥饿的情况下Rtn3L可以结合LC3的一个相似序列 (FLV)【8】，从而降解内质网。通过Rtn3L的LIR序列结合不同的蛋白，可以反映细胞的不同的代谢状态，进而有效地促进此蛋白的功能，这也反映出管状内质网膜接触点的功能多样性。

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2020.12.014

制版人：嘉

参考文献

1.Westrate, L. M., Lee, J. E., Prinz, W. A. & Voeltz, G. K. Form follows function: the importance of endoplasmic reticulum shape.Annu. Rev. Biochem. 84, 791–811 (2015).

2.Wu, H., Carvalho, P. & Voeltz, G. K. Here, there, and everywhere: The importance of ER membrane contact sites.Science361, eaan5835 (2018).

3.Lee, J. E., Cathey, P. I., Wu, H., Parker, R. & Voeltz, G. K. Endoplasmic reticulum contact sites regulate the dynamics of membraneless organelles.Science367, eaay7108 (2020).

4.Huotari, J. & Helenius, A. Endosome maturation.EMBO J. 30, 3481–3500 (2011).

5.Friedman, J. R., Dibenedetto, J. R., West, M., Rowland, A. A. & Voeltz, G. K. Endoplasmic reticulum-endosome contact increases as endosomes traffic and mature.Mol. Biol. Cell24, 1030–40 (2013).

6.Wu, H. & Voeltz, G. K. Reticulon-3 Promotes Endosome Maturation at ER Membrane Contact Sites.Dev. Cell56, 52-66.e7 (2021).

7.Voeltz, G. K., Prinz, W. A., Shibata, Y., Rist, J. M. & Rapoport, T. A. A class of membrane proteins shaping the tubular endoplasmic reticulum.Cell124, 573–86 (2006).

8.Grumati, P. et al. Full length RTN3 regulates turnover of tubular endoplasmic reticulum via selective autophagy.eLife6, e25555 (2017).