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厦门大学方宁团队揭示缢断蛋白在受体介导内吞中的作用 精选

已有 2987 次阅读 2021-7-13 12:33 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年7月12日晚23时,《自然—细胞生物学》Nature Cell Biology)在线发表了美国佐治亚州立大学/厦门大学化学系方宁教授团队的科研成果——《在网格蛋白介导内吞作用最后阶段发生的与缢断蛋白相关的囊泡旋转》,为解释缢断蛋白相关工作机理提供新思路。


这项工作真正在活细胞状态下观察新生囊泡被缢断蛋白切割的细节,揭露了相关机理,是对关于这个问题近20年争论的有利证明和补充。 


课题组博士后程晓东陈匡财董斌为论文第一作者;方宁教授、王谷丰教授为通讯作者。


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缢断蛋白(Dynamin) 是一种 GTP 结合蛋白,参与各种膜裂变和融合过程,包括网格蛋白介导的内吞作用 (CME)。在 CME 的最后阶段,dynamin组装并充当机械化学支架,使内陷网格蛋白涂层小窝 (CCP) 颈部的膜收缩和变形,并从细胞膜上切下新生囊泡。目前,已经提出了两种流行的模型。


(1) 两阶段模型。在第一阶段,核苷酸结合构象的缢断蛋白组装成螺旋结构,导致内部膜管收缩;在第二阶段,多个缢断蛋白分子协调的GTP水解促进膜管半裂变中间体的形成并使缢断蛋白组件不稳定,随后膜管破裂。


(2)棘轮/收缩模型。在这个模型中,缢断蛋白可以充当类似于肌球蛋白的分子马达。该模型表明,当组装时,相邻的缢断蛋白在随机GTP水解循环中逐渐相互滑动,导致螺旋扭曲和收缩,直到膜管达到半裂变中间体可以自发或通过热波动形成的状态,并随后断裂。


需要指出的是,当前的两种模型结论主要基于细胞外实验,并且都与部分细胞外实验的现象吻合。因此,如何准确解析缢断蛋白在活细胞中切割新生囊泡机理成为研究人员关注的焦点


突破性技术:三维单粒子追踪及多维成像


单粒子追踪技术可有效追踪目标物在活细胞中的运动,为阐明相关机理提供有效的手段。但目前的单粒子追踪技术通常关注目标物的平移运动,基于有限的位置信息很难全面描述复杂的生物过程。


针对以上难题,方宁团队以包裹各向异性的金纳米棒的囊泡为观察对象,通过解析空间位置和三维方位角度(0-360o方位角以及0-90o极化角),最终以20ms时间分辨率,提供<2°的角度分辨率及10 nm左右的x, y 和z空间分辨率,阐明囊泡在受体介导内吞过程中的运动和受力情况。


值得一提的是,该方案不仅提供了0-360o的方位角解析方案以突破角度解析限制,还提供了具有对目标物自动聚焦跟踪能力的自反馈追踪系统。这套自研的追踪系统解决了长期以来存在的无法在活细胞中对目标物进行z轴追踪的难题。另外,为了详尽阐明整个生物过程,团队自主搭建的多维成像系统可实时同步获取目标物的平动转动信息以及多个相关荧光蛋白的信息(在这里是缢断蛋白dynamin和网格蛋白clathrin)。


这个技术提供了前所未有的多维信息(x, y, z 纳米级空间位置,覆盖整个角度范围的方位角和极化角,以及生物过程相关的多种荧光蛋白的信息),为最终阐明相关生物机理奠定了基础。 

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 三维单粒子追踪和多维成像装置图示。


受体介导内吞的不同阶段和超级旋转


基于以上技术,团队对真实发生的受体介导内吞的案例进行观察,发现整个过程以网格蛋白、缢断蛋白的聚集/解离,囊泡的转动和平动可以大致分为7个阶段。特别值得注意的是,大量的实验数据表明,在囊泡被切断之前,总可以观察到囊泡发生超级旋转,即囊泡在约0.28s时间内向右旋转了约130°。而这一快速的右旋,在表达GTP酶活性缺陷的K44A缢断蛋白突变株细胞的对照实验中缺失。这一结果证明了,囊泡是在GTP水解作用下发生的快速右旋,而这水解作用,提供了挤压细胞膜微管导致其断裂的能量和力学作用。


基于整个右旋过程在短时间快速发生以及对比冷冻电镜解析的缢断蛋白挤压细胞膜微管的不同状态,研究认为GTP水解一旦开始后触发一连串反应,较早的反应会触发下一个反应直到完成扭曲。这种由GTP水解产生的扭曲力导致的快速右旋的模型更新了人们对缢断蛋白切割囊泡的理解。这种多维观察的方法为整个生物过程提供了更多实验细节,并提出了更多可能性以指明下一步研究的方向。


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缢断蛋白切割囊泡机理示意图。

 

方宁教授于2021年从美国佐治亚州立大学全职回国,在厦门大学担任特聘教授。方宁教授团队专注于在生物物理、化学催化领域等多学科交叉前沿,开发光学成像仪器研究不同体系中的动态过程。目前实验室正在筹备和快速发展阶段,欢迎有相关背景研究人员加入。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41556-021-00713-x




http://blog.sciencenet.cn/blog-3423233-1295284.html

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2 黄永义 闻宝联

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