南方科技大学李瑞熙课题组综述膜蛋白多聚化和相分离对基本细胞学途径的重要调控作用

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。近年来动物领域最新研究论文已经开始揭示这两大系统间的密切关系。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、货物跨膜运输和自噬起始等过程。另一方面，一些具有重要生物学功能的无膜结构，如应激颗粒（stress granules, SGs）、Processing Bodies (PBs)等，依附在膜体系发生动态变化。目前植物学领域关于蛋白相分离的作用主要集中在RNA结合蛋白和转录调控因子等方面，植物内膜蛋白相关功能报道还十分有限。

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Current Opinion in Plant Biology在线发表了题为Comparing the effects of proteins with IDRs on membrane system in yeast, mammalian cells, and the model plant Arabidopsis的文章，综述了膜蛋白多聚化和相分离对基本细胞学途径的重要调控作用。

该文分析比较了在酵母、动物和模式植物拟南芥中具有IDR结构域的内膜蛋白在内膜系统和基本细胞学途径中的重要作用，主要集中于网格蛋白介导的内吞过程 (clathrin-mediated endocytosis, CME) 和自噬起始过程 (autophagy initiation)。在动物细胞中，CME是一个高度有序化的过程，其中约30%的调控蛋白含有大量IDR序列，起始因子Fer/Cip4 homology domain-only (FCHo) 1/2和EGFR pathway substrate 15 (Eps15)/Eps15 R以及衔接蛋白AP180均含有长片段IDR序列（大于300个氨基酸）。最新发表在Nature Cell Biology上的文章表明FCHo1/2和Eps15/Eps15R在体外脂质膜（liposome）和体内细胞膜上均可以发生相分离【1】。相分离形成的凝聚物可诱导膜形变，并有利于招募其它内吞调控蛋白促进CME过程有序进行。有意思的是，植物细胞中没有起始因子FCHo1/2和Eps15/Eps15R的同源蛋白，而异源八蛋白聚合物TPLATE是最早出现的起始调控蛋白。本综述论文分析比较了植物细胞与动物、酵母中CME起始过程的相似和不同之处，着重分析了含有IDR结构域的内膜蛋白在植物CME起始过程中可能具有的重要调控作用（图1）。

图1. 比较模式植物拟南芥和动物细胞中CME过程的相似性和差异。

近年来，LLPS调控细胞自噬起始的机制在酵母和动物细胞体系广为报道。其中，酵母中autophagy-related 1 (Atg1) 复合体和动物细胞中focal adhesion kinase family interacting protein of 200 kD (FIP200) /ATG13/uncoordinated51-like kinase (ULK1) 复合体均通过LLPS形成自噬起始的成核位点，其成员间的多价互作与磷酸化修饰密切相关【2】。在模式植物拟南芥中，自噬起始复合体ATG1/ATG13亚基成员也含有大量IDR序列，其激活程度也与磷酸化修饰相关。因此，植物细胞自噬起始过程是否与LLPS相关是值得研究的方向。本论文分析了拟南芥中ATG1/ATG13复合体亚基的蛋白结构，综述了上游调控途径，并与动物、酵母体系进行比较分析。动物和酵母中已有报道显示，选择性自噬起始也与LLPS密切相关。其中，酵母Aminopeptidase I (Ape1) 作为货物蛋白，通过LLPS形成凝聚物并招募衔接因子Atg19覆盖在凝聚物上，后者通过与Atg8互作促进自噬发生【3】。动物细胞选择性自噬受体p62通过自身聚合与结合的泛素一起发生LLPS形成凝聚物，通过招募FIP200到凝聚物上促进自噬起始【4】。另一个自噬受体neighbor of BRCA1 gene 1 (NBR1)可与p62互作，促进自噬发生【5】。植物中没有Ape1和p62的同源蛋白，然而拟南芥选择性自噬受体next to BRCA1 gene 1 protein (AtNBR1) 兼具动物细胞p62和NBR1的蛋白特征。因此，LLPS是否在植物选择性自噬中发挥作用也是值得研究的方向。（图2）

图2. 比较模式植物拟南芥和酵母、动物细胞中选择性自噬起始的相似性与差异。

该文还简要综述了研究膜系统LLPS的主要研究手段，以及目前存在的技术瓶颈和研究中需要注意的事项。植物细胞中LLPS对膜系统的作用尚不清楚，希望该综述论文能引导研究者们关注具有IDR结构域的内膜蛋白可能具备的生物物理作用，以及它们在基本细胞学途径中可能发挥的重要调控作用。

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第一作者和通讯作者，研究助理教授庞磊为第二作者。感谢北京林业大学的李瑞丽副教授以及南方科技大学的赵燕助理教授和何益林博士对论文稿件的审阅和修改建议。该论文得到了国家自然基金面上项目、广创团队项目、深圳市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. Day KJ, Kago G, Wang L, Richter JB, Hayden CC, Lafer EM, Stachowiak JC: Liquid-like protein interactions catalyse assembly of endocytic vesicles. Nat Cell Biol 2021, 23:366-376.

2. Fujioka Y, Noda NN: Biomolecular condensates in autophagy regulation. Curr Opin Cell Biol 2021, 69:23-29.

3. Yamasaki A, Alam JM, Noshiro D, Hirata E, Fujioka Y, Suzuki K, Ohsumi Y, Noda NN: Liquidity Is a Critical Determinant for Selective Autophagy of Protein Condensates. Molecular Cell 2020, 77:1163-1175.

4. Turco E, Witt M, Abert C, Bock-Bierbaum T, Su MY, Trapannone R, Sztacho M, Danieli A, Shi XS, Zaffagnini G, et al.: FIP200 Claw Domain Binding to p62 Promotes Autophagosome Formation at Ubiquitin Condensates. Molecular Cell 2019, 74:330-346.

5. Sanchez-Martin P, Sou YS, Kageyama S, Koike M, Waguri S, Komatsu M: NBR1-mediated p62-liquid droplets enhance the Keap1-Nrf2 system. Embo Reports 2020, 21:e48902.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369526623000407