Dev Cell | 孙大晓等揭示表面相分离调控上皮组织紧密连接带动态组装的新机制

上皮组织是覆盖人体表面、内腔和器官的重要结构，它构成了人体的第一道物理性的保护屏障，可以保护内部组织免受机械损伤、微生物侵袭、有害物质和失水的威胁，比如皮肤屏障，肠道屏障和血脑屏障。构成上皮组织保护屏障最重要的结构是细胞间一种特殊的黏附结构，紧密连接 （Tight junction） 。紧密连接形成细胞间的“密封带 （ Tight junction belt ） ”，跨越整个组织，可以有效阻止微生物侵袭，控制分子和离子通过细胞间隙，因此在维持组织稳态、保护机体免受外界环境威胁以及调节细胞行为方面扮演着不可或缺的角色。其功能异常通常与多种疾病的发生发展密切相关，如炎症性肠炎、脑血管疾病和肿瘤侵袭等。了解紧密连接带组装的分子机制，将为相关疾病的治疗提供重要的理论基础。然而，紧密连接带是如何精准组装并形成连续性结构的，是近些年来始终没有解决的重大问题。

2024年12月31日，德国马普所分子细胞与遗传所和德雷斯顿工业大学的孙大晓与其合作者在Developmental Cell上发表了题为Assembly of tight junction belts by ZO1 surface condensation and local actin polymerization的研究论文。该文章通过系统性的细胞和体外重建实验，对紧密连接带的动态组装机制进行了揭秘。揭示了细胞如何将表面凝聚 （surface condensates）与细胞骨架（cytoskeleton）组织结合起来，以组装和构建细胞间粘附复合物的通用机制。

在该研究中，研究人员首先使用体外重构的方法， 对紧密连接的组装进行了由下而上的重构 （bottom-up reconstitution） 。研究发现，紧密连接形成的主要受体蛋白CLDN2的寡聚化可以特异性的招募支架蛋白ZO1到生物膜上，并且触发ZO1 在极低的蛋白浓度下发生表面相分离，在生物膜表面形成ZO1表面凝聚体 （ZO1 surface condensates） 。ZO1表面凝聚体进一步招募紧密连接形成的关键蛋白 （包括JAM-A，ZO2，ZO3，CNG，AFDN和PAR3） ，并排除非目标蛋白 （包括E-Cad，PODXL和CRB3 ） ，从而实现紧密连接多组分的空间特异性富集，为紧密连接的正确形成奠定基础。

紧接着，研究人员发现，通过使用药物Latruanculin A （LatA） 和Jasplakinolide （JASP） ，在上皮细胞中破坏和改变肌动蛋白 （actin） 的完整性以及聚合速度，可以有效的影响紧密连接带的延伸，并且这个过程不依赖于粘附连接和肌球蛋白 （Myosin-2） 。为了进一步确认actin聚合在紧密连接延伸中的作用，研究人员对紧密连接延伸的过程进行了体外重构。研究发现，ZO1表面凝聚体可以特异性的富集肌动蛋白单体（G-actin）到生物膜表面，促进G-actin在生物膜表面的多聚和成束，actin的多聚和成束又进一步导致ZO1表面凝聚体的延伸和融合，最终形成了连续的紧密连接带状网络。这个过程严格依赖于直接的actin与ZO1分子结合以及ZO1表面蛋白凝聚体提供的凝聚力。

最后，研究人员通过原子力显微镜 （Atomic force microscopy, AFM） ，对重构的紧密连接带网络进行了更高分辨率的结构和动态解析。结果发现，ZO1表面凝聚体是规则的层状结构。在生物膜的基础上，ZO1分子形成了单层的ZO1表面凝聚体，在ZO1表面凝聚体之上又形成了单层的F-actin网络。这个生物膜-ZO1表面凝聚体-actin的层状结构，很有可能对紧密连接直接感受并调控细胞与细胞之间的机械力具有至关重要的作用。

综上所述，该研究对紧密连接带的动态组装机制进行了系统深入的阐释。在细胞接触点，细胞膜上受体蛋白发生寡聚化，由此触发支架蛋ZO1的招募和表面相分离，形成ZO1表面凝聚体，从而实现紧密连接在细胞接触点局部启动的时空特异性调控。ZO1表面凝聚体能够选择性的招募G-actin，还能促进其聚合和成束。研究显示，这种actin的聚合行为直接驱动了ZO1表面凝聚体的形变，紧密连接带的延伸，最终形成完整的带状结构，实现了紧密连接带的形态调控。这一研究首次清晰地揭示了紧密连接带从点状凝聚体到带状结构的形成过程，弥补了领域内的理论空白。这一机制不仅有助于深入理解细胞连接的分子基础，还为开发调控细胞屏障功能的新策略提供了理论支持。

值得注意的是，细胞中存在众多与紧密连接结构相似，与生物膜结合的表面凝聚体，参与了多种不同的生物学过程，包括粘附连接 （Adhesion junction） ，黏着斑 （Focal adhesion） ， 免疫突触 （Immunological synapse） 和神经后突触致密区 （Postsynaptic density， PSD） 等等。生物膜介导的特异性结合和表面相分离的发生，以及表面凝聚体与细胞骨架的相互作用可能是这些结构时空特异性和形态调控的普遍机制。

德国马普所分子细胞与遗传所和德雷斯顿工业大学的博士后孙大晓和宁波诺丁汉大学理工学院应用数学助理教授赵雪萍为本文的共同一作。孙大晓，德国德累斯顿工业大学生物技术中心讲座教授Alf Honigmann和德国奥格斯堡大学物理研究所讲座教授Christoph Weber为本文的通讯作者。德国马普所分子细胞与遗传所所长Tony Hyman对本研究进行了重要指导。

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(24)00735-4

制版人：十一

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