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推翻50年观点!巫凌刚团队发现膜内吞新机制 精选

已有 3950 次阅读 2021-8-19 09:57 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年8月18日晚23时,美国国家卫生研究院巫凌刚教授团队Neuron杂志上发表最新文章,题为“ Preformed Ω-profile closure and kiss-and-run mediate endocytosis and diverse endocytic modes in neuroendocrine chromaffin cells”。


该研究首次揭示了神经内分泌细胞内吞作用、多种内吞模式和胞吞胞吐偶联的主要膜转化新机制,推翻了半个世纪以来由扁平到圆形质膜转化介导刺激后内吞的概念。


美国国立卫生研究院的Wonchul Shin博士维力斯博士为文章的共同第一作者。


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内吞作用是指细胞通过质膜的形变作用,形成球状囊泡将细胞膜及细胞外如配体、受体、病毒、细菌等信号分子转运到胞内的过程。内吞作为细胞的基本功能对细胞的生命活动至关重要(Wu et al., 2014)。为了满足高度动态的胞吞胞吐生理需求,神经元、内分泌细胞等细胞发展出多种内吞模式,包括以速度为定议的慢速(>~6 秒; slow-endo)、快速 (<~6 秒; fast-endo) 和超快速 (<~0.6 秒; Ultrafast-endo) 内吞作用;以数量为定议的无内吞(No-endo)、补偿性内吞(内吞作用 = 胞吐作用; Compensatory-endo)和过冲性(内吞作用 >胞吐作用; Overshoot-endo)内吞作用;以及囊泡尺寸为定议的内吞模式,如产生大胞内体(Endosome)样结构的大量内吞作用(Bulk-endo) (Wu et al, 2014 ; Gan and Watanabe, 2018 )。

        

自半个世纪前发现内吞作用以来,上述大多数内吞模式被认为由不同分子机制所介导的由扁平到圆形的质膜转化过程(Wu et al, 2014; Kononenko andHaucke, 2015; Watanabe and Boucrot, 2017; Gan andWatanabe, 2018)。尽管该观点早已被提出并被普遍接受,由于技术难度,在活细胞中尚未观察并证实从扁平到圆形质膜转化动态过程。这一持续了半个世纪的观点被最新这篇文章所推翻。

                

在本研究中,巫凌刚教授团队使用超分辨率受激发射损耗 (STED) 显微镜结合传统电生理技术(whole cell patch clamp),首次在活细胞(神经内分泌嗜铬细胞)中直接观察到了内吞质膜转化的动态过程。研究人员在同一细胞里同时观察到内吞的动态过程与分泌囊泡融合孔开放与关闭动态过程,建立了一种新的膜转化理论。他们发现内吞作用由模块化的质膜转变组成:包括扁平到∧形(Flat→∧),∧到Ω形(∧→Ω)和Ω到圆形囊泡(Ω→O)。这三个转变分别由扁平膜向内内陷、基底部收缩和Ω孔收缩所介导。


奇妙的是,去极化诱发胞吐后的内吞并非主要由普遍认为的扁平到圆形的质膜转变产生。相反,内吞主要来自预先形成的Ω形质膜(pre-Ω,在去极化之前形成)的孔道闭合以及分泌囊泡融合孔闭合(kiss-and-run)。两者均由钙内流触发并由动力蛋白(dynamin)所介导。浓度由低到高的钙内流分别增加 了:1) pre-Ω及融合孔的关闭速度,从而介导以速度为定义标准的慢、快及超快内吞模式;2) pre-Ω及融合孔的关闭概率,进而产生以数量为定义标准的无内吞,补偿性及过冲内吞模式;以及 3) 囊泡大小,由此产生各种以大小为定义标准的内吞模式,如大量内吞作用。


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预先形成的Ω状质膜孔道闭合和分泌囊泡融合孔闭合介导的各种内吞模式机制的示意图

        

这些发现揭示了一个新的概念——钙/动力蛋白依赖的pre-Ω及融合孔闭合,两者在刺激时都不需要经历扁平到Ω的质膜转化,介导了多种内吞模式和胞吞胞吐偶联。这个关念上的进步对使用多种内吞模式的内分泌、神经和其他系统将产生广泛的影响。 数十年的实验研究将观察到的内吞作用解释为扁平到圆形的质膜转化,可能是错误的解释,需要参考本文的突破性发展而重新解释。 先前研究提出的内吞作用分子模型也需要重新考虑,将pre-Ω和融合孔闭合作为主要内吞机制。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.07.019

 

参考文献

1. Ferreira, A.P.A., and Boucrot, E. (2018). Mechanisms of Carrier Formation during Clathrin-Independent Endocytosis. Trends Cell Biol 28, 188-200.

2. Gan, Q., and Watanabe, S. (2018). Synaptic Vesicle Endocytosis in Different Model Systems. Front Cell Neurosci 12, 171.

3. Kononenko, N.L., and Haucke, V. (2015). Molecular mechanisms of presynaptic membrane retrieval and synaptic vesicle reformation. Neuron 85, 484-496.

4. Watanabe, S., and Boucrot, E. (2017). Fast and ultrafast endocytosis. Curr Opin Cell Biol 47, 64-71.

5. Wu, L.G., Hamid, E., Shin, W., and Chiang, H.C. (2014). Exocytosis and endocytosis: modes, functions, and coupling mechanisms. Annu Rev Physiol 76, 301-331.




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