博文

Cell | 超级细胞器？小鼠卵母细胞隔绝蛋白质聚集的机制

已有 689 次阅读 2024-3-6 07:14 |个人分类:信息分析|系统分类:论文交流

Cell | 超级细胞器？小鼠卵母细胞隔绝蛋白质聚集的机制

https://mp.weixin.qq.com/s/KFVxmC3tk_FcKCy1ExUsqQ

Cell | 超级细胞器？小鼠卵母细胞隔绝蛋白质聚集的机制

原创 zZ BioArt 2024-03-05 08:44 上海

撰文 | zZ卵母细胞是雌性生殖细胞，也是动物体内寿命最长的细胞之一。大多数哺乳动物在胎儿发育时期就能形成卵母细胞，此后卵母细胞可以在体内存活数十年，并在后续用于繁殖。再加上胚胎的细胞质全部来源于卵母细胞，因此维持卵母细胞的细胞质稳态至关重要。蛋白质聚集是威胁包括卵母细胞在内的长寿细胞内稳态的主要因素。然而，卵母细胞如何应对蛋白质聚集尚不清楚。近日，来自西班牙巴塞罗那科学技术研究所的Elvan Boke团队在cell上发表了题为Mouse oocytes sequester aggregated proteins in degradative super-organelles的文章。该研究发现了小鼠卵母细胞用于隔绝蛋白聚集物的超级细胞器，并将其命名为ELVAs (endolysosomal vesicular assemblies)，在未成熟的卵母细胞中，ELVAs主要将蛋白聚集物与细胞质隔离开；而在卵母细胞成熟时，ELVAs将这些蛋白聚集物降解。作者首先从小鼠中分离了卵母细胞，卵子和早期胚胎，并应用蛋白聚集体染料Proteostat证明了卵母细胞内含有微米尺度的蛋白聚集现象。数据显示这些蛋白聚集存在于卵母细胞和卵子中，并在第一次胚胎分裂后消失。并且这些蛋白聚集同时和泛素化底物FK2与溶酶体标记蛋白Lamp1共定位。为了进一步表征这些蛋白聚集的超微结构，作者结合免疫联合光电显微镜 (immune-CLEM) 发现这些蛋白聚集是由内溶酶体、早/晚期溶酶体、自噬体、自噬溶酶体和多泡体 (multivesicular body，MVB) 等聚集形成的非膜包被的结构。这个结构还含有蛋白酶体和网格蛋白包被小泡，并且偶尔可以与内质网接触，但不与高尔基体和线粒体共定位。为了和MVB 区分开来，作者将其命名为ELVAs (endolysosomal vesicular assemblies)，并将其视为一种非膜结合的“超级细胞器”。图1. ELVAs存在于卵母细胞和卵子中，在第一次胚胎分裂后消失。那么ELVAs在卵母细胞成熟过程中如何定位呢？统计分析发现在卵母细胞中，ELVAs散落分布于细胞质中；在卵子和单细胞胚胎中，ELVAs明显地定位于细胞皮层 (cell cortex) 。暗示ELVAs在卵母细胞成熟的过程中可能经历重定位。进一步研究发现微丝抑制剂cytochalasin D 可以显著抑制ELVAs的重定位，再加上肌动蛋白 (Myosin) 和微丝也被发现定位于ELVAs内，说明ELVAs的重定位可能依赖于微丝。由于ELVAs内的细胞器并没有明显的接触 (membrane contact), 作者推测ELVAs可能通过某种蛋白质基质来将这些细胞器组装在一起。为了验证此猜想并找到其中的关键蛋白，他们通过荧光激活颗粒分选 (FAPS, fluorescence-activated particle sorting) 结合蛋白组学来鉴定ELVAs的组分。在证明了GFP-LC3B和ELVAs共定位后，他们以GFP-LC3B作为靶点鉴定出了包括RUF1 (RUN and FYVE domain-containing protein 1) 在内的一系列蛋白。RUF1是一种基质蛋白，也定位于ELVAs, 通过Trim away技术快速降解卵母细胞内的RUF1几乎能完全使ELVAs消失，而细胞内游离的内溶酶体小泡数量几乎加倍，说明ELVAs在卵母细胞内隔绝大量的内溶酶体小泡并且通过RUFY1将这些小泡结合在一起。为了探究RUFY1能否促进ELVAs的组装，作者在体细胞内过表达了RUFY1-GFP, 发现RUFY1的过表达导致体细胞也形成大小和形状与ELVAs类似的结构，组成成分也包括了早/晚期溶酶体，自噬体和溶酶体，但不含有蛋白酶体。他们还发现RUFY1中的coiled-coil结构域突变会导致RUFY1不能自组装，体细胞内也不形成类似ELVAs的机构。由此可见，ELVAs的形成很可能是由RUFY1通过 CC结构域自组装介导的。泛素化-蛋白酶体 (ubiquitin-proteasome system) 和自噬-溶酶体途径 (autophagy-lysosomal pathway) 是两种关键的蛋白质降解途径，对于细胞的稳态平衡至关重要。上述工作已经证明ELVAs包含蛋白酶体和溶酶体等与细胞内蛋白质降解途径相关的重要组分，接下来的问题就是ELVAs中的这些组分是否受调控。对于自噬-溶酶体途径，ELVAs中的溶酶体在不成熟的卵母细胞中没有活性，但在成熟的卵子和单细胞胚胎中呈现降解活性。当用db-cAMP抑制卵母细胞成熟后，ELVAs中的溶酶体不呈现降解活性。说明ELVAs中的溶酶体在卵母细胞成熟的过程中恢复活性。电镜结果也显示在卵母细胞成熟之后，ELVAs中的小泡会逐渐减少，暗示着可能被有活性的溶酶体降解。对于泛素化-蛋白酶体途径，从卵母细胞到卵子的成熟过程中，蛋白酶体的活性也逐渐上升。由于在卵母细胞成熟的过程中ELVAs会重定位到细胞皮层，那么ELVAs的重定位对于它包含的溶酶体和蛋白酶体的活性是不是必须的呢？结果显示破坏了微丝确实导致ELVAs中的溶酶体和蛋白酶体的活性显著减弱。但作者也表示不排除这是由于细胞骨架受损引起的下游效应。那么卵母细胞为什么要通过ELVAs来聚集这些细胞器呢？作者通过Tirm away技术快速降解细胞内的RUFY1使卵母细胞无法形成ELVAs后，发现细胞内的溶酶体数量增加，活性上升。另外ELVAs的消失还伴随着溶酶体的外分泌 (lysosomal exocytosis) 。在结合作者之前也观察到在野生型细胞中，卵母细胞成熟后ELVAs消失，溶酶体也同时被分泌到细胞外。因此，他们认为在不成熟的卵母细胞中，ELVAs主要使溶酶体保持非活性状态；而卵母细胞成熟后，ELVAs逐渐消失，溶酶体也逐渐恢复活性，恢复活性后的溶酶体可能发挥降解功能，也可能被分泌到细胞外。并且，作者进一步证明在卵母细胞成熟的过程中，破坏蛋白酶体或溶酶体的活性会分别导致ELVAs中的蛋白聚集现象加剧或泛素化蛋白含量增加，这些功能性破坏试验说明ELVAs在卵母细胞成熟的过程中发挥降解功能。总而言之，在非成熟的卵母细胞中，ELVAs中的蛋白降解途径处于失活状态；在卵母细胞成熟后，ELVAs中的泛素化-蛋白酶体和自噬-溶酶体途径恢复活性。ELVAs是否能特异性识别某类蛋白？作者通过蛋白组学研究找到了在ELVAs中富集的两个蛋白，KIT和TDP-43, 这两个蛋白的异常表达都和生理疾病紧密联系。KIT和TDP-43都定位于ELVAs, 并且在卵母细胞成熟过程中，抑制ELVAs中的溶酶体功能导致KIT和TDP-43在ELVAs中的富集。作者也选取了被报道过的其他蛋白，例如ZAR1, LSM14B, G3BP2, 在卵母细胞的成熟过程，这些蛋白的细胞内含量都会显著降低。然而这些蛋白并不定位于ELVAs, 它们的含量降低并不依赖于ELVAs. 因此，ELVAs是可以特异性识别某类蛋白的。最后，作者证明了清除ELVAs中的蛋白聚集物对产生高质量的卵子至关重要，并且无法清除蛋白聚集物会导致胚胎发育异常。综上所述，这篇文章首次定性研究了卵母细胞中的超级细胞器—ELVAs. 发现ELVAs是由内溶酶体、自噬体和蛋白酶体组成的无膜包被的结构，并由RUFY1形成的蛋白基质将其组装在一起。在未成熟的卵母细胞中，ELVAs隔绝蛋白聚集物，不显示降解活性；卵母细胞成熟后，ELVAs中的溶酶体和蛋白酶体活性上升，将蛋白聚集物降解。抑制ELVAs中的降解活性导致胚胎中蛋白质聚集物的积累，对胚胎的存活产生不利影响。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.01.031