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美国加州大学圣地亚哥分校张瑾团队发现液-液相分离控制cAMP空间区隔和癌症信号通路 精选

已有 4558 次阅读 2020-8-26 10:40 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

在复杂的细胞信号通路网络中,如何实现信号精确的时间、空间调控是维持正常细胞生命活动的重中之重,也是生命科学持续关注的话题。


北京时间2020年8月25日晚23时,《细胞》在线发表了美国加州大学圣地亚哥分校张瑾教授团队的最新研究成果。


研究人员发现,细胞内PKA的动态液-液相分离(liquid-liquid phase separation)可以为小分子cAMP的空间分布及其下游信号转导提供精准的控制;而这种液-液相分离的缺失会使cAMP/PKA通路失调,进而导致细胞过度繁殖,引发癌症。


加州大学圣地亚哥分校药理、生物工程、化学与生物化学系张瑾教授为该文通讯作者,博士生Jason Zhang为该文第一作者。


 

cAMP是细胞内最重要的第二信使之一,通过将外界刺激整合并传递给下游靶分子如蛋白质激酶A,参与调控包括细胞增殖、分化、凋亡等一系列过程。然而,同一分子是如何区分不同的外界刺激并执行特定功能的呢?


对此,以cAMP的空间区隔化来实其通路特异性的模型已被提出近40年, 然而小分子的空间区隔并不容易。


通常而言,信号分子在信号通路中的忠实性可以通过一些细胞结构来保障。利用膜结构细胞器是一个例子,张瑾指出,“膜结构细胞器就好像一个工厂的不同车间,例如线粒体,不同功能可以在不同车间分开执行”。


对于cAMP,由其它蛋白来调整cAMP产生的位点、生成量等,可以引导不同的下游信号通路 ; 但由于cAMP可以自由扩散, 这些机制被发现仍不足以区隔cAMP, 其完整区隔机制历经近40年研究依然不甚明了。

图1:PKA调控亚基R1α在细胞内源表达水平和体外富集后形成液-液相分离。


终于,近日由张瑾教授团队联合加州大学圣地亚哥分校Susan Taylor等团队发现,cAMP以一种令人意外的方式得以区隔化——通过PKA调控亚基R1α的液-液相分离。


PKA是cAMP最重要的靶蛋白,它通过其调控(R)亚基结合cAMP并被激活,从而释放催化亚基执行下游功能。


研究人员利用CRISPR基因编辑技术和该团队擅长的荧光探针技术,敲入绿色荧光蛋白片段至R1α,并使片段在细胞内重组为有活性的荧光探针,从而成功追踪到内源表达水平下的调控亚基R1α可以通过液-液相分离在细胞中形成无膜液滴(Puncta)结构,并以惊人的效率富集细胞内的cAMP。

图2:PKA调控亚基R1α通过液-液相分离在细胞中形成无膜液滴并富集高浓度cAMP。


对R1α多区域的突变和对应恢复(rescue)实验表明,R1α中的D/D和linker结构域是其液-液相分离的关键。这种高度浓缩聚集的cAMP形式确保了其在细胞内的位点、生成量可以被精准调控 从而特异性激活PKA。


“占不足1%细胞体积的R1α液滴,可以吸纳99%的细胞内cAMP“,张瑾解释道, “并且这种富集cAMP的液滴一旦被破坏,涌出的大量cAMP会破坏信号通路的特异性,导致细胞不受控的过度增殖,而这正是癌细胞的一大特性”。

 

图3:利用FluoSTEP技术,在细胞内组装活性荧光探针并标记内源蛋白,从而研究关键蛋白周围信号通路。


受此发现启发,他们进而发现在纤维板层肝细胞癌(fibrolamellar carcinoma, FLC)中广泛存在的DnaJB1-PKA融合蛋白的确会破坏细胞内R1α的液-液相分离,进而使得cAMP/PKA信号通路失调。


这一发现揭示了FLC可能的发生机理,以及不受控的cAMP导致癌症发生的可能机制。


基于以上研究,作者阐释了非传统、无膜细胞器结构对于小分子第二信使的空间区隔作用,“使得经典的cAMP/PKA通路又翻开了新的篇章”,Susan Taylor指出。

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.043




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1 黄永义

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