上海生科院在细胞囊泡运输及离子稳态调控机制研究中取得进展奥门永利误乐域

2017年12月28日,中国科学院上海生命科学研究院上海植物生理生态研究所晁代印研究组的研究成果,以A
new vesicle trafficking regulator CTL1 plays a crucial role in ion
homeostasis
为题,在线发表在PLoS
Biology
上。该研究揭示了拟南芥胆碱转运蛋白CTL1通过调控囊泡运输影响植物的生长发育及离子平衡的新机制,这也是首次有研究发现胆碱在生物体囊泡运输方面发挥重要作用。

,我所王晓晨实验室在PLoS Genetics杂志在线发表题为“Endocytic Sorting and
Recycling Require Membrane Phosphatidylserine Asymmetry Maintained by
TAT-1/CHAT-1”的文章。该文章首次报道了秀丽线虫磷脂酰丝氨酸转运蛋白TAT-1及其分子伴侣CHAT-1通过维持磷脂酰丝氨酸在内涵体膜上的不对称性分布从而调控细胞内有效的内吞分选及循环过程。

胆碱及其后续产物磷脂酰胆碱是真核细胞细胞膜的重要组成部分,占细胞膜磷脂总含量的60%,然而它们的含量在从内质网合成,然后经由高尔基体和囊泡运输到质膜的过程中逐渐减少,且在细胞质膜上极性分布在于脂双层外侧,这些现象的意义一直未知,让人们对于胆碱及PC的功能产生疑惑。晁代印课题组运用离子组学手段,通过正向遗传学筛选,获得一个多种矿质元素含量发生显著变化的突变体sic1,并通过图位克隆证实一个编码胆碱转运蛋白的基因奥门永利误乐域,CTL1的点突变导致了该表型。深入研究表明,CTL1基因能够影响拟南芥胞间连丝的发育及其功能,从而阻碍根部重要转录因子SHR蛋白从中柱向内皮层细胞的移动,造成sic1突变体中的细胞属性的变化,导致HKT1HMA4等离子转运蛋白基因在根部外皮层异位表达而影响植株中Na和Zn的含量。细胞生物学的实验结果表明,sic1突变体中包括胞吞和蛋白运输在内的囊泡运输过程受到明显抑制,这种囊泡运输过程的异常使Fe、Mn离子的转运蛋白NRAMP1等膜蛋白的开放交通(protein
trafficking)过程和亚细胞定位(subcellular
localization)受到影响,从而影响Mn离子的运输。胆碱处理及脂质组分析结果表明,sic1细胞质中的胆碱含量升高打破了细胞膜系统中的磷脂平衡,从而影响细胞的囊泡运输过程。

早期内涵体是细胞内的“货物分选站”。内吞分选是早期内涵体通过形成若干形态与功能各异的亚结构而实现的。已知需要被循环利用的蛋白如某些受体等在早期内涵体将被分选而转运到新形成的管状膜泡上,从而回到细胞膜上继续行使其功能,而这种内吞循环过程中的管状膜泡的形成是如何被调控的还知之甚少。我们的工作表明,秀丽线虫磷脂酰丝氨酸转运蛋白TAT-1及其分子伴侣CHAT-1对于这种管状膜泡的形成至关重要,而该功能很有可能是通过维持早期内涵体膜上磷脂酰丝氨酸的不对称性分布而实现的。

该研究为理解植物调控离子组稳态提供了新思路,并在真核生物中首次阐明胆碱和磷脂酰胆碱作为重要的细胞膜组分在囊泡运输过程中的重要作用,为全面了解囊泡运输这一基础生物学过程提供新方向。

我们从一个调控凋亡信号磷脂酰丝氨酸外翻缺陷的遗传筛选中得到了编码磷脂酰丝氨酸转运蛋白TAT-1及其分子伴侣CHAT-1的功能失活突变体。TAT-1属于P类ATP水解酶家族,这类蛋白与生物膜上磷脂酰脂类的分布调控相关。在野生型的凋亡细胞表面可以检测到磷脂酰丝氨酸的暴露,这是凋亡细胞早期最显着的凋亡信号,而在活细胞表面磷脂酰丝氨酸都被限制在细胞膜内侧。在tat-1chat-1突变体中,在凋亡细胞和活细胞表面我们都可以检测到磷脂酰丝氨酸,这与之前薛定实验室关于TAT-1的研究结果是一致的。我们发现TAT-1与CHAT-1在多种细胞类型中共定位,在亚细胞水平上,它们在细胞膜和细胞器膜上也共定位。进一步研究表明,它们需要彼此才能从内质网被运输到细胞器膜和细胞膜上执行功能。这是首次对秀丽线虫中TAT-1分子伴侣CHAT-1的研究报道。

研究工作得到了中科院战略性先导科技专项、中组部“青年千人计划”及国家自然科学基金委等的资助。

这两个突变体除了具有磷脂酰丝氨酸在活细胞表面暴露的表型之外,研究发现在幼龄四期线虫及成虫的肠系细胞中累积了很多异常变大的膜泡。通过一系列内吞系统的分子标记分析表明这些膜泡上具有早期内涵体蛋白RAB-5,晚期内涵体与早期溶酶体蛋白RAB-7,以及循环内涵体蛋白RAB-10和RAB-11。hTfR、hTAC和GLUT1是细胞膜表面受体,在野生型中这些蛋白在内吞发生后会较快地被转运回到细胞膜上,因此它们主要定位在细胞膜上,而在突变体中这些蛋白很大比例滞留在细胞中,细胞膜上的定位大大减少。线虫通过降解卵黄蛋白为发育提供营养,突变体的胚胎和成虫与同时期野生型相比,有明显的卵黄蛋白降解缺陷。此外,在肠系细胞中有较多的细胞自噬蛋白LGG-1聚积,表明细胞自噬的降解可能也有缺陷。

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