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今年3月，中国科学院院士、南方科技大学生命科学学院院长张明杰团队，以突触前膜为模板，以突触小泡的运输为具体案例，深入揭示了由相分离机制介导、不依赖于马达蛋白与细胞骨架及零能耗的定向运输方式，为我们理解细胞内短距离定向运输提供了全新的视角。文章以“Short-distance vesicle transport via phase separation”为题，在顶级期刊Cell上在线发表。 图1：相分离介导的短距离囊泡运输模式图 在细胞内，长距离的物质运输主要是通过马达蛋白牵引货物沿着细胞骨架进行定向移动来实现的。然而，细胞内同样存在着许多短距离定向运输的需求，例如突触前膜的突触小泡需要从储备区（reserve pool）调动至活性区（active zone），以及COPII和COPI囊泡在高尔基体潴泡间定向转运等。 对于这类短距离运输，依赖于马达蛋白和细胞骨架的方式不仅能耗过大，而且通常这些短距离运输的场景并不涉及细胞骨架的参与。另一方面，被动扩散虽然能发生，但却无法满足方向性的运输需求。因此，细胞如何巧妙地应对这种短距离定向运输的挑战，是细胞生物学研究领域里悬而未决的问题。课题组研究表明，突触前膜内的短距离运输高度依赖于钙感应动态支架蛋白Pclo，其全长超过5000个氨基酸，展现出独特的细长拉伸形态，使其成为连接储备区与活性区的关键分子桥梁。 图2. Pclo在响应Ca2+刺激下将突触小泡从原来与synapsin共定位的状态中(A)提取出来(B)，实现突触小泡从储备区的脱离 首先，研究团队发现Pclo能够被招募至由synapsin相分离介导所形成的储备区凝聚体中（图2A）。随后，在钙信号的刺激下，Pclo作为钙感应器发生构象变化，并与突触小泡发生相分离。这一转变使得Pclo能够成功从储备区提取突触小泡，进而形成Pclo/囊泡转运凝聚体（图2B）。 图3. Pclo与活性区蛋白直接相互作用(A)，并因此被特异性富集到活性区凝聚体中(B)。Pclo可以显著增强囊泡在活性区表面的贴附效率(C-D) ，Ca2+刺激将进一步增强囊泡贴附(E) 另一方面，Pclo与ELKS、RIMBP等其他突触前膜活性区蛋白之间存在广泛的相互作用（图3A）。重要的是，Pclo能够被特异性地富集到由RIM, RIMBP, ELKS共同介导形成的活性区凝聚体中（图3B）。得益于Pclo的桥梁作用，从储备区中提取出的囊泡能够定向递送并吸附于活性区凝聚体表面（图3C-D）。值得一提的是，这一吸附效应在钙信号的刺激下会得到进一步增强（图3E）。为了验证这一机制的普适性，研究人员利用大鼠脑内纯化的真实突触小泡重复了上述实验，得到一致的结果。 综上所述，本研究揭示了一种新型的由相分离介导的囊泡运输方式，该方式既摆脱了传统远程运输对马达蛋白与细胞骨架的依赖，又解决了被动扩散无法提供方向性的问题。 张明杰课题组长期深耕于神经系统的结构与功能研究，近年来在神经突触里的相分离研究领域做出了一系列开创性成果。课题组于2019年在Molecular Cell首次提出了相分离介导突触前膜活性区形成这个概念（详见BioArt报道：Mol Cell | 张明杰组报道相分离对于重新认识突触的形成与维持的重要意义）；随后于2021年在Molecular Cell探讨了相分离介导的突触小泡在活性区的定位机制（详见BioArt报道：Mol Cell | 张明杰组报道相分离介导突触小泡定位到突触前膜活性区的机制 ）；本文作为张明杰院士课题组在突触前膜相分离研究领域的第三部力作，继前两部研究的深厚积淀之上，进一步深入探索了钙信号刺激下，相分离机制如何介导突触小泡从储备区动态转移至活性区的精细过程。这一发现不仅丰富了我们对于突触前膜功能调控的理解，也为未来神经科学领域的研究提供了新的启示。 张明杰院士为本文的通讯作者，香港科技大学博士研究生裘骅和博士后吴先登为本文的共同第一作者。该研究与中国科学院生物物理研究所张宏院士、清华大学教授葛亮合作完成。生物物理所博士生马晓丽、清华大学博士生李树林、厦门大学教授蔡期湑，以及德国马普研究所Marcelo Ganzella博士对本文亦有贡献。该研究得到了国家自然科学基金委基础科学中心项目、广东省创新团队、深圳市高层次人才团队、深圳市基础研究重点专项等项目的支持。 文章链接： https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/abstract/S0092-8674(24)00251-4 原文链接： https://bio.sustech.edu.cn/news/detail/2215.html?lang=zh-cn 本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！

本文为转化医学网原创，转载请注明出处 作者：Sophia 导读： 除了长距离分子马达介导的转运外，细胞囊泡还需要以明确的方向进行短距离移动，以满足亚细胞区室的功能需求，但其机制尚未可知。这种短距离囊泡运输不涉及分子马达。 2024年3月28日，中国科学院院士、南方科技大学生命科学学院院长张明杰团队在《Cell》发表题为“Short-distance vesicle transport via phase separation”的研究论文， 研究以突触前膜为模板，以突触小泡的运输为具体案例，深入揭示了由相分离机制介导、不依赖于马达蛋白与细胞骨架及零能耗的定向运输方式，为我们理解细胞内短距离定向运输提供了全新的视角。 https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/abstract/S0092-8674(24)00251-4 研究背景 01 从本质上讲，所有囊泡运输过程都涉及膜囊泡的定向运动，其速度足以满足不同的细胞需求。与生物分子或其复合物相比，细胞囊泡非常大且重，因此在拥挤的细胞环境中扩散极慢。因此， 囊泡在不同细胞区室之间的定向、长距离运动总是涉及基于细胞骨架的分子马达。 细胞囊泡也需要局部短距离运输。例如，不同的囊泡沿着平坦的高尔基池堆以几百纳米的距离快速地顺行和逆行移动。在神经细胞的轴突末端扣上，突触囊泡(SVs)以几百纳米的距离和精确的时间间隔从囊泡储存器到神经递质释放点再次经历快速和重复的运动。与远距离的囊泡运输不同，人们对细胞内局部定向的囊泡运动是如何实现的知之甚少。这种局部的、短距离的囊泡运输并不涉及分子马达。随机扩散不能解释局部而定向的囊泡运输，因为随机扩散缺乏方向性。因此， 必须存在某些过程来积极促进局部细胞室中囊泡的短途运输。 研究进展 02 首先，研究团队发现Pclo能够被招募至由synapsin相分离介导所形成的储备区凝聚体中（图2A）。随后，在钙信号的刺激下，Pclo作为钙感应器发生构象变化，并与突触小泡发生相分离。这一转变使得Pclo能够成功从储备区提取突触小泡，进而形成Pclo/囊泡转运凝聚体（图2B）。 图2. Pclo在响应Ca2+刺激下将突触小泡从原来与synapsin共定位的状态中(A)提取出来(B)，实现突触小泡从储备区的脱离 另一方面，Pclo与ELKS、RIMBP等其他突触前膜活性区蛋白之间存在广泛的相互作用（图3A）。重要的是，Pclo能够被特异性地富集到由RIM, RIMBP, ELKS共同介导形成的活性区凝聚体中（图3B）。得益于Pclo的桥梁作用，从储备区中提取出的囊泡能够定向递送并吸附于活性区凝聚体表面（图3C-D）。值得一提的是，这一吸附效应在钙信号的刺激下会得到进一步增强（图3E）。为了验证这一机制的普适性，研究人员利用大鼠脑内纯化的真实突触小泡重复了上述实验，得到一致的结果。 图3. Pclo与活性区蛋白直接相互作用(A)，并因此被特异性富集到活性区凝聚体中(B)。Pclo可以显著增强囊泡在活性区表面的贴附效率(C-D) ，Ca2+刺激将进一步增强囊泡贴附(E) 研究结果 03 总之，本研究，我们证明，使用突触囊泡（SV）转运作为范式，突触蛋白与囊泡的相分离可以促进不同突触前布顿亚区室之间的调节、定向囊泡转运。具体来说， 一个大的卷曲螺旋支架蛋白 Piccolo响应Ca2+并通过其C2A结构域介导的Ca2+ 感应，可以从突触蛋白簇的储备池缩合物中提取SVs，并将提取的SVs沉积到活性区蛋白质缩合物的表面上。 我们进一步表明，Trk 融合基因 TFG 也通过相分离参与从 ER 到 ER-Golgi 中间区室的 COPII 囊泡运输。因此，相分离可能在细胞中的短距离定向囊泡转运中发挥一般作用。 相分离介导的短距离囊泡运输模式图 参考资料： https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/abstract/S0092-8674(24)00251-4 https://mp.weixin.qq.com/s/J7p5YWSiQ6ebWTLMgCESNw 注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。 热门·直播/活动 🕓 上海｜06月14日-16日 ▶ 第六届上海国际癌症大会将于6月14-16日在上海举办，学科交叉，共同推进肿瘤研究与诊治多模态！ 🕓 北京｜09月20日-21日 ▶ 第五届单细胞技术应用研讨会暨空间组学前沿研讨会欢迎您的参与！ 点击对应文字 查看详情

引言除了远距离分子运动介导的运输外，细胞囊泡还需要在确定的方向上短距离移动，以满足亚细胞区室的功能需求，但机制未知。这种短距离囊泡运输不涉及分子马达。2024年3月28日，南方科技大学张明杰团队在Cell 在线发表题为“Short-distance vesicle transport via phase separation”的研究论文，该研究以突触囊泡(SV)运输为范例，证明了突触蛋白与囊泡的相分离可以促进不同突触前亚室之间受调节的定向囊泡运输。具体来说，一个大线圈支架蛋白Piccolo响应Ca2+，通过其C2A结构域介导的Ca2+感应，可以从突触蛋白聚集的储备池冷凝水中提取SVs，并将提取的SVs沉积在活性区蛋白质冷凝水的表面。进一步表明，Trk融合基因TFG也通过相分离参与COPII囊泡从内质网转运到内质网-高尔基体中间区。因此，相分离可能在细胞内的短距离定向囊泡运输中起普遍作用。从本质上讲，所有的囊泡运输过程都涉及膜囊的定向运动，以所需的速度来应对不同的细胞需要。与生物分子或其复合物相比，细胞囊泡非常大且重，因此在拥挤的细胞环境中扩散极其缓慢。因此，囊泡在不同细胞间的定向长距离运动总是涉及基于细胞骨架的分子马达。细胞囊泡也需要局部短距离运输。例如，不同的囊泡沿着平坦的高尔基池堆以几百纳米的距离快速地顺行和逆行移动。在神经细胞的轴突末端上，突触囊泡(SVs)以几百纳米的距离和精确的时间间隔从囊泡储存器到神经递质释放点再次经历快速和重复的运动。与远距离的囊泡运输不同，人们对细胞内局部定向的囊泡运动是如何实现的知之甚少。这种局部的、短距离的囊泡运输并不涉及分子马达。随机扩散不能解释局部而定向的囊泡运输，因为随机扩散缺乏方向性。因此，必须存在某些过程来积极促进局部细胞室中囊泡的短途运输。成熟的SVs经过运动介导的长距离转运到每个轴突末端按钮后，被组织成三个亚室，对应三个不同的功能池：储备池，占SVs总数的80%以上，聚集在突触前膜-远端区；随时可释放池(RRP)，占总数的5%以下，与突触前质膜正下方的活跃区相连;以及回收/穿梭池，这是一个相当虚构的SVs群体，在储备池和RRP之间穿梭。突触激活后，储备池中的SVs可以快速、反复地转运到活跃区补充释放的SVs。这种活性诱导的SV运输不涉及分子马达，因为EM研究表明，在连接质膜的活性区和SV储备池之间的200-300 nm空间中没有肌动蛋白丝或微管。模式图（Credit: Cell）最近的研究表明，一组突触前支架蛋白或其复合物可以通过相分离形成不同的凝聚无膜细胞器。这些突触前无膜细胞器与膜性SVs相互作用，每个都有独特的模式。例如，突触素和交叉素(ITSN)凝聚物可以通过与SVs凝聚而聚集SVs。相反，SVs覆盖在由RIM、RIMBP和elks形成的活性区凝聚物的表面。因此，这些不同的突触前蛋白凝聚物可以将SVs组织成不同的池，从而定义具有不同功能的生化相同的SVs。目前尚不清楚SVs如何从储备池运送到RRP。Piccolo(Pclo)和Bassoon是脊椎动物特有的巨型支架蛋白(Pclo > 500 kDa;Bassoon> 400 kDa)能够将活跃区与突触蛋白凝聚物连接起来。Pclo和Bassoon的消融导致总SVs显著降低，活性区停靠和总回收池SVs均受损。相反，敲除突触素只损害储备池而不损害对接的SVs。敲除RIM、RIMBP和ELKS仅影响RRP SVs，而不改变储备池SVs。Pclo和/或Bassoon基因操作对多个SVs库的同时影响提示，这两种支架蛋白可能协调突触前按钮中不同SVs库之间的通信。该研究发现Pclo响应Ca2+并通过与SVs相分离，可以从突触蛋白聚集的凝聚物中提取SVs。值得注意的是，Pclo可以将提取的SVs以Ca2+依赖的方式输送到活性区凝析液表面。因此，Pclo可以通过Ca2+调控的突触前支架蛋白相分离，促进SVs从储备池转运到活性区。该研究还提供证据表明，细胞中分泌囊泡的短途运输也受到蛋白质相分离的调节。原文链接https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/abstract/S0092-8674(24)00251-4责编|探索君排版|探索君文章来源|“iNature”End往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文Nature | 破除传统：为何我们需要重新思考肿瘤的命名方式热文Nature | 2024年值得关注的七项技术热文Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述