近年来，液-液相分离（lipid-lipid phase separation，LLPS）形成的无膜结构是动、植物领域最热门的研究方向之一，因为它诠释了一个长期以来被忽视的重要物理学现象在生命科学领域的重要作用，从知识体系上扩展了以往根据经典的信号传导和内膜运输系统搭建起来的生物学体系。然而，真实的细胞内环境是遍布着膜结构的，细胞质内几乎满视野随眼可见的内质网片段和细胞骨架结构。如果说LLPS是生命体在演化初期就具备的物理学性质，那么膜系统的演化势必和无膜结构的功能分化共同进行；膜系统和无膜结构的互作在不同物种的演化过程中承载着选择压进而演化出适应于生物体所在外界环境的特殊作用方式。近年来的研究已经开始揭示这两大系统间的密切关系 【1-3】。一方面内膜蛋白可以通过多聚化结构域或intrinsic disorder region (IDR) 区域依附在膜系统上形成无膜结构。蛋白多聚化和相分离产生的凝聚态作用力直接诱导膜结构发生形变调控基本的细胞生物学过程，如囊泡出泡【4】、货物跨膜运输 【5, 6】和自噬起始 【7, 8】等过程。另一方面，一些具有重要生物学功能的RNA颗粒，如应激颗粒（stress granules, SGs）、Processing Bodies (PBs)等，依附在膜体系发生动态变化 【9, 10】。从物理学角度来看，依附在膜体系发生多价互作（multivalent interaction）和相分离形成凝聚态聚合物所需的蛋白质或核酸浓度要远低于在纯粹液体环境下发生相分离所需分子浓度 【3】，因而更符合体内真实情况。
近日，南方科技大学生命科学院植物与食品研究所李瑞熙课题组在Plant Physiology在线发表了题为“Arabidopsis HOPS subunit VPS41 carries out plant-specific roles in vacuolar transport and vegetative growth”的研究论文，报道了依附于内质网的无膜结构及其在植物早期发育中的重要作用。
该研究前期结果显示进化中保守的HOPS复合体亚基VPS41除了定位在液泡膜还分布在胞内点状结构。按照酵母和动物领域已有模型，VPS41所在点状结构应该属于多泡囊体（multivesicular compartments, MVBs）。然而，研究者非常意外的发现VPS41点状结构与MVB标记蛋白基本没有共定位，与常见的内膜细胞器，包括高尔基体、反式高尔基体等也无共定位。药理学实验表明，VPS41对Brefeldin A (BFA) 处理不敏感，在wortmannin 处理后不形成圈状结构。为了进一步研究VPS41所在点状结构的亚细胞属性，研究者制备了识别VPS41的特异性抗体，并通过免疫电镜和光电交联实验证实了VPS41所在点状结构为位于胞内的无膜结构。非常有意思的是，大部分无膜结构依附于内质网（图1）。实时观察结果表明，VPS41所在无膜结构具有液相特征，能频繁融合和分裂，并在1,6- hexanediol (1,6-HD) 处理两分钟内消失。遗传学数据表明，VPS41所在无膜结构不受液泡途径上游因子调控而与蛋白自身多聚化状态相关。细胞学实验证实VPS41参与调控多条液泡运输途径。研究者也意外的发现VPS41可以独立于HOPS复合体单独存在。最后，生理学数据表明VPS41所在无膜结构对植物早期发育至关重要，因为缺失多聚化结构域的互补植物失去无膜结构并在苗期死亡。
图1.免疫电镜和光电交联结果表明VPS41位于液泡膜和依附于内质网的无膜结构。（A-F）为VPS41-GFP转基因植物背景下通过免疫电镜观察到的亚细胞分布图；（G-J）为野生型Col植物背景下通过光电交联实验观察到的亚细胞分布图。两种方法都观察到VPS41所在无膜结构依附于内质网。
VPS41所在HOPS复合体为进化中保守的栓系复合物，其介导的液泡运输过程在酵母和动物细胞领域已经广泛研究。本研究诠释了保守的HOPS复合体亚基在植物体系特有的细胞学功能和生理学作用（见图2工作模式示意图），揭示了VPS41所在无膜结构与内质网的密切联系，这是其它真核体系尚未报道的全新结果。这也是植物领域首次通过电镜观察到依附于膜体系的无膜结构（图1）。目前课题组也正在着力攻破VPS41无膜结构在内质网上的细胞学功能和生理学作用。
图2. VPS41作用模式图。VPS41作为HOPS复合体亚基与复合体一起参与调控液泡融合；VPS41也具有独立于HOPS复合体的作用，在液泡运输和植物早期发育过程中发挥重要功能。
南方科技大学生命科学院植物与食品研究所李瑞熙助理教授为论文通讯作者，在读博士研究生蒋栋为论文第一作者。香港中文大学姜里文教授、何益林博士以及北京大学钟声副教授为论文合作作者。该项目得到国家自然基金面上项目、深圳市面上项目、广创青年项目和广东省普通高校植物细胞工厂分子设计重点实验室项目支持。
参考文献
1. Zhao YG & Zhang H (2020) Phase Separation in Membrane Biology: The Interplay between Membrane-Bound Organelles and Membraneless Condensates. Dev Cell 55(1):30-44.
2. Koppers M, Ozkan N, & Farias GG (2020) Complex Interactions Between Membrane-Bound Organelles, Biomolecular Condensates and the Cytoskeleton. Frontiers in Cell and Developmental Biology 8.
3. Ditlev JA (2021) Membrane-associated phase separation: organization and function emerge from a two-dimensional milieu. J Mol Cell Biol 13(4):319-324.
4. Johnson A, et al. (2015) TFG clusters COPII-coated transport carriers and promotes early secretory pathway organization. EMBO J 34(6):811-827.
5. Ouyang M, et al. (2020) Liquid-Liquid Phase Transition Drives Intra-chloroplast Cargo Sorting. Cell 180(6):1144-1159 e1120.
6. Schmidt HB & Gorlich D (2015) Nup98 FG domains from diverse species spontaneously phase-separate into particles with nuclear pore-like permselectivity. Elife 4.
7. Agudo-Canalejo J, et al. (2021) Wetting regulates autophagy of phase-separated compartments and the cytosol. Nature 591(7848):142-146.
8. Fujioka Y, et al. (2020) Phase separation organizes the site of autophagosome formation. Nature 578(7794):301-305.
9. Lee JE, Cathey PI, Wu H, Parker R, & Voeltz GK (2020) Endoplasmic reticulum contact sites regulate the dynamics of membraneless organelles. Science 367(6477).
10. Milovanovic D, Wu Y, Bian X, & De Camilli P (2018) A liquid phase of synapsin and lipid vesicles. Science 361(6402):604-607.
https://doi.org/10.1093/plphys/kiac167
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
