细胞分裂是生命活动的基本属性。真核细胞有丝分裂利用纺锤体将遗传物质精确分配到两个子细胞中。与此同时，膜结构细胞器也协同发生复杂的结构和功能转变以完成分离，这一动态过程对于有丝分裂的正常进行至关重要【1,2】。内质网通过周期性形态重塑维持有丝分裂过程中的结构复杂性，而形态重塑异常通常会带来细胞分裂缺陷，可能导致非整倍体形成，细胞命运改变，甚至肿瘤发生。然而，有丝分裂内质网形态重塑如何实现，目前仍不清楚。

北京时间2024年1月4日18时，中山大学肿瘤防治中心（SYSUCC）刘强课题组联合中山大学肿瘤防治中心高嵩课题组和中国科学院生物物理研究所胡俊杰课题组，在 Nature Structural & Molecular Biology 杂志上发表题为“Aurora kinase A-mediated phosphorylation triggers structural alteration of Rab1A to enhance ER complexity during mitosis”的研究论文，揭示了AURKA-Rab1轴驱动有丝分裂内质网形态重塑并维持结构复杂性的分子机制。

Rab GTPases作为真核细胞内最大的Ras样小GTPase家族成员，是调控内膜系统运输的关键分子。Rab GTPases的细胞内定位与其GTP周期水解耦联。在GTP结合状态下，Rab GTPases定位于内膜系统，而与GDP结合的Rab GTPases则进入细胞质【3,4】，这种动态过程可以通过保守区域的磷酸化来调节【5,6】。由于内膜系统在细胞分裂时期经过重塑，而Rab GTPase的功能是否需要做出对应的调整尚不清楚。带着这个问题，研究人员首先检测了Rab GTPase在细胞分裂期的磷酸化水平，结果显示只有部分Rab GTPases在有丝分裂过程中磷酸化升高，提示Rab GTPases在细胞分裂过程中存在调控模式和功能转变的多样性，其中AURKA可介导Rab1A的Switch II结构域Thr75位点磷酸化。蛋白晶体结构显示，Thr75磷酸化促使Switch II的构象变得更为刚性，阻碍了Rab1A与GDI（GDP dissociation inhibitor）的结合，并使得Rab1A维持在GTP结合的活性状态（图1）。

图1. Thr75位点磷酸化调控Rab1A Switch II 构象，阻碍GDI结合

接下来，研究人员探讨了细胞分裂期Rab1A磷酸化的意义。研究显示，AURKA介导的Thr75位点磷酸化促使Rab1A定位于内质网。借助FLIP（Fluorescence loss in photobleaching）实验，3D-SIM（structured illumination microscopy）和透射电镜，证实磷酸化Rab1A促进有丝分裂内质网的形态重塑。

真核细胞中的内质网是由连续的管状和片状结构组成的复杂网络，其中管状网络主要由两组富集于管状内质网的膜蛋白来维持：塑形蛋白Reticulons 和REEPs可以诱导产生并稳定膜曲度，使生物膜形成管状结构；dynamin超家族蛋白 atlastin（ATL）则通过介导膜融合促进内质网管状网络的构建【7,8】。研究人员进一步发现，磷酸化Rab1A在ATL 的协助下，结合Reticulons和REEPs中连接两个跨膜发夹结构（transmembrane hairpins，TMHs）的胞质环（cytosolic loop）。值得注意的是，RTN1-4和REEP1-4的胞质环氨基酸序列保守，而REEP5/6的胞质环则拥有不同的氨基酸序列，这也决定了Rab1A无法与REEP5/6结合。Rab1A的结合推动了Reticulons和REEPs寡聚化，从而驱动有丝分裂内质网形态重塑和维持结构复杂性（图2）。研究人员随后在线虫，果蝇和哺乳动物模型中证实，有丝分裂相关激酶介导的内质网结构重塑调控机制在进化上呈现出了高度的保守性。

图2. AURKA-Rab1轴驱动有丝分裂内质网形态重塑示意图

综上，这项研究不仅解释了内质网受细胞分裂信号调控发生形态重塑的具体过程，也揭示了Rab GTPase在有丝分裂过程中发挥的全新功能。

中山大学肿瘤防治中心刘强教授、高嵩教授和中国科学院生物物理研究所胡俊杰教授为论文的共同通讯作者；中山大学肿瘤防治中心的张炜博士、张子健博士、谷东东硕士、陈金娜博士和中国科学院生物物理研究所的向云博士为并列第一作者；中国科学院分子细胞科学卓越创新中心沈义栋教授为本研究提供了线虫模型支持，中国科学院生物物理研究所李栋教授为本研究提供了内质网成像技术支持，华南师范大学生物光子学研究院陈同生教授为本研究提供了E-FRET技术支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41594-023-01165-7

参考文献

1 Champion, L., Linder, M. I. & Kutay, U. Cellular Reorganization during Mitotic Entry. Trends Cell Biol 27, 26-41, doi:10.1016/j.tcb.2016.07.004 (2017).

2 Carlton, J. G., Jones, H. & Eggert, U. S. Membrane and organelle dynamics during cell division. Nat Rev Mol Cell Biol 21, 151-166, doi:10.1038/s41580-019-0208-1 (2020).

3 Stenmark, H. Rab GTPases as coordinators of vesicle traffic. Nat Rev Mol Cell Biol 10, 513-525, doi:10.1038/nrm2728 (2009).

4 Pfeffer, S. & Aivazian, D. Targeting Rab GTPases to distinct membrane compartments. Nat Rev Mol Cell Biol 5, 886-896, doi:10.1038/nrm1500 (2004).

5 Waschbusch, D. & Khan, A. R. Phosphorylation of Rab GTPases in the regulation of membrane trafficking. Traffic 21, 712-719, doi:10.1111/tra.12765 (2020).

6 Xu, L., Nagai, Y., Kajihara, Y., Ito, G. & Tomita, T. The Regulation of Rab GTPases by Phosphorylation. Biomolecules 11, doi:10.3390/biom11091340 (2021).

7 Hu, J., Prinz, W. A. & Rapoport, T. A. Weaving the web of ER tubules. Cell 147, 1226-1231, doi:10.1016/j.cell.2011.11.022 (2011).

8 Zhang, H. & Hu, J. Shaping the Endoplasmic Reticulum into a Social Network. Trends Cell Biol 26, 934-943, doi:10.1016/j.tcb.2016.06.002 (2016).