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加州大学伯克利分校许可团队报道新奇的管状细胞器选择性加速内质网-高尔基体运输
2022-1-20 09:13
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内质网(endoplasmic reticulum)负责细胞内绝大多数分泌蛋白的合成与转运。约有6000种蛋白质(占人类蛋白质组的三分之一)在内质网合成后经膜泡运输抵达高尔基体(Golgi)进行进一步的修饰和分选。

 

先前的研究表明,在内质网上存在多种货物蛋白受体(cargo protein receptor),而某些受体介导的内质网-高尔基体运输快于其他受体或缺乏受体信号的货物蛋白。但迄今为止,导致内质网-高尔基体膜泡运输速率差异的细胞生物学基础仍不清楚。


北京时间2022年1月20日凌晨0时,美国加州大学伯克利分校许可(Ke Xu)教授研究组Developmental Cell上发表文章,揭示了一种新奇的管状细胞器(tubular ERGIC,或t-ERGIC)作为内质网-高尔基体运输中间体,选择性地加速SURF4受体的货物蛋白从内质网到高尔基体运输的机制。


加州大学伯克利分校的博士生闫睿(现为哈佛医学院博士后)是本文的第一作者。闫睿许可教授为本文的共同通讯作者。许可教授实验室的陈琨王博文对本工作亦有贡献。


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这项研究发端于一个意外的发现。起初,作者试图将荧光蛋白DsRed2通过N端的信号肽(signal peptide)和C端的KDEL序列定位到哺乳动物细胞的内质网中。令人意外的是,两个序列极为相似、仅在linker区域有差异的蛋白(图1A)在细胞中定位迥异:DsRed2-ER-3在绝大多数细胞中都定位到内质网区域,而DsRed2-ER-5却常常位于一些细长的管状细胞器中(图1B)。这些管状细胞器在细胞质中以1-2微米/秒的速度快速运动(图1C)。为了探寻这些管状细胞器在细胞中的作用,作者通过活细胞成像、流式细胞术、western blotting等方法,阐明了这些管状细胞器介导的是从内质网到高尔基体间的运输,其富含Rab1 GTP酶却缺乏经典的ERGIC标记蛋白ERGIC-53。在运输过程中,货物蛋白首先在内质网出口位点(ER exit site,ERES)附近聚集,而后该管状细胞器可以从此位点直接产生(图1D),或由已经生成的管状细胞器与ERES融合带走货物(图1E)。这些管状细胞器的形成使得DsRed2-ER-5相比于DsRed2-ER-3被更快更多地转运到高尔基体进而分泌到胞外。值得注意的是,近期发表的两项研究发现了类似的管状细胞器运输某些膜蛋白货物,但并未阐明这类细胞器产生的分子机制及其与经典膜泡运输在功能上的差异【1】【2】。

 

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图1. (A)文中用到的蛋白序列示意图。(B)活细胞成像揭示两种蛋白转染到COS-7细胞后的定位不同。(C)DsRed2-ER-5在(B)中橘色方框内的时间序列。(D)管状细胞器从ERES产生。(E)已经存在的管状细胞器与一个ERES(黄色三角所示)融合后带走其中的货物蛋白。所有图中的箭头标示管状细胞器。

 

接下来,作者进一步探究是何种差异导致了这两种序列相似的蛋白质的不同命运。通过一系列突变实验,作者证明了是蛋白质信号肽被水解后形成的新N端的三个氨基酸决定了DsRed2-ER-5被选择性地运输到管状细胞器中,而识别这些可溶蛋白N端分泌信号的受体是内质网蛋白SURF4。当DsRed2-ER-5 N端的APV三肽被突变为EPV后,突变蛋白与SURF4的结合大幅减少,从而不能进入管状细胞器被大量分泌。在细胞中用RNA干扰敲低SURF4具有相同的效果(图2A)。即使是在没有过表达货物蛋白的细胞中,管状细胞器依然存在,而SURF4敲低使其数量显著减少(图2B)。借助超分辨显微镜与活细胞成像,作者更深入地阐释了SURF4介导产生管状细胞器的机制:SURF4与货物蛋白在内质网中结合,经由类似于相分离的机制富集到ERES并使ERES体积增大,从而为管状细胞器的产生提供足够的膜作为原材料(图2C)。管状细胞器因其沿微管快速的移动和极大的表面积体积比,使与膜受体SURF4结合的货物蛋白得到选择性的快速运输(图2D)。

 

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图2. (A)N端为APV或EPV的DsRed2货物蛋白在不同RNA干扰条件下的流式细胞统计图。(B)SURF4敲低细胞中被Rab1A标记的管状细胞器(箭头所示)明显变少。(C)同步化转运实验(RUSH)中货物蛋白与SURF4共聚集。(D)管状细胞器选择性加速内质网-高尔基体运输的模型。

 

有趣的是,尽管DsRed2-ER-5具有C端KDEL内质网驻留信号,其作用却被N端的SURF4结合信号掩盖,使其不能留在内质网中。作者通过一系列实验发现这两种信号具有相互拮抗作用,其相对强弱取决于其在蛋白表面的暴露程度和细胞内受体的丰度等因素。在内质网腔的可溶蛋白中,丰度最高的十种无一例外地具有KDEL式的C端驻留信号,并具有排斥SURF4结合的N端信号。同时具有C端驻留信号和N端分泌信号的蛋白则往往定位在ERGIC而非内质网中。这些发现指向进化中对于蛋白定位信号与功能的选择。

 

这项研究首次揭示了SURF4加速其货物蛋白运输及分泌的细胞生物学机制,并提出不同的蛋白-受体相互作用与ERGIC的形态多样性相对应,从而导致不同货物蛋白运输速率的差异。对此类蛋白质一级结构(序列)中蕴含的分泌/驻留信号的阐明将深化对蛋白质分泌过程的理解与应用。

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.12.018


参考文献

【1】 Weigel, Aubrey V., et al. "ER-to-Golgi protein delivery through an interwoven, tubular network extending from ER." Cell 184 (2021): 2412-2429.

【2】 Shomron, Olga, et al. "COPII collar defines the boundary between ER and ER exit site and does not coat cargo containers." Journal of Cell Biology 220 (2021): e201907224.


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