Mol Cell | 南方科技大学张明杰团队发现无膜细胞器可以经历磷酸化依赖的融合和裂变

蛋白质和核酸相分离形成的无膜细胞器发挥着多种细胞功能。无膜细胞器如何以类似于膜基细胞器的方式进行调节的融合和裂变是未知的。

2023年12月13日，南方科技大学张明杰团队在Molecular Cell 在线发表题为“Phosphorylation-dependent membraneless organelle fusion and fission illustrated by postsynaptic density assemblies”的研究论文，该研究使用部分重组的哺乳动物突触后密度(PSD)凝聚物作为范例，证实了无膜细胞器可以经历磷酸化依赖的融合和裂变。

如果没有SAPAP鸟苷酸激酶结构域结合重复序列的磷酸化，PSD蛋白混合物的上层和下层在相相组织中形成两个不混溶的亚室。SAPAP的磷酸化导致两个子室融合成一个凝聚体，并伴随着凝聚体中Stargazin密度的增加。SAPAP的去磷酸化可以逆转这一事件。在体内阻止SAPAP磷酸化会导致PSD亚室下层和上层的蛋白质分离增加。因此，类似于基于膜的细胞器，无膜细胞器也可以经历有调节的融合和裂变。

真核细胞是高度区隔的。历史上，人们普遍认为细胞区室化是通过形成以脂质膜为界的各种亚细胞器来实现的。这些膜封闭的细胞器是动态的，可以经历广泛的重塑，包括细胞器融合或裂变，以响应特定的细胞信号。最近的工作揭示了另一类细胞器，它们是通过蛋白质和核酸的相分离或相转变形成的。这些新近发现的通过相分离形成的细胞器要么没有脂质膜，要么没有被脂质膜包围，因此这种细胞器通常被称为无膜细胞器。目前已知无膜细胞器在广泛的细胞过程中发挥作用，包括基因转录和翻译、细胞生长和增殖、细胞间和细胞内信号传导等。无膜细胞器还可以与膜基细胞器相互作用，协调许多细胞过程，如细胞极化、细胞自噬、神经元或免疫突触的形成等。可以进行自发的同型融合，以减少细胞器液滴的表面张力。无膜细胞器的形成和分散也是一个受调控的过程，这一点也被广泛接受。然而，对于无膜细胞器是否也能以类似于膜基细胞器的方式响应特定的细胞信号进行融合或裂变，仍知之甚少。

兴奋性神经元突触的突触后密度(PSD)是由支架蛋白及其相互作用的神经递质受体和突触信号酶形成的无膜细胞器的一个例子。在刺激的作用下，神经元突触的PSDs可以发生大小的双向变化。PSD的大小与突触的电强度线性相关，因为PSD中神经递质受体的总数和密度与PSD的大小成正比。PSD的电镜研究显示，PSD是亚区隔的，在突触质膜的正下方包含一个密度较大的PSD核心层，厚度为30 nm(称为PSD核心或PSD上层)，然后是一个密度较小的蛋白质组装层，厚度为50 nm(也称为PSD pallium或PSD下层)谷氨酸受体和PSD-95支架富集于PSD核心亚室，支架蛋白包括Shank和Homer富集于PSD皮层。

机理模式图（图源自Molecular Cell ）

SAPAP家族支架蛋白作为分子连接体连接两层PSD，形成PSD组装体。通过电子显微镜(EM)可以观察到SAPAPs存在于PSD的上层和下层。当突触受到刺激时，整个PSD变得更厚、更致密，这一过程涉及到PSD组装中添加蛋白质，这可以增强相分离和其他细胞过程，如新蛋白质合成、PSD蛋白之间分子相互作用的改变、细胞骨架结构的改变、PSD核心和苍白质之间的边界也变得不那么明显，表明两层PSD的分子密度更加均匀。重要的是，这种活性依赖性的PSD增厚伴随着PSD中钙调素依赖性激酶II (CaMKII)的急性积累。抑制CaMKII的激酶活性也会阻断活性诱导的突触和PSD的生长，而阻断磷酸酶的活性则会延长活性诱导的PSD增厚。

该研究用Stargazin (Stg)尾巴和PSD-95部分重建了PSD的上层，用截断的Shank3 (SAPAP和Homer1的简化形式)重建了PSD的下层。重组后的PSD蛋白混合物通过相分离形成两个不同的亚室。两个子室以相相模式排列，SAPAP均匀分布在两个子室中。SAPAP的磷酸化导致两个不同的子室融合成均匀的凝聚物。SAPAP的去磷酸化诱导单个PSD组件分裂成两个子室。作者设计了一个遗传上可编码且稳定的PSD-95结合SAPAP突变体，可以有效地模拟组成型磷酸化SAPAP。该研究证明SAPAP磷酸化诱导的SAPAP/PSD-95相互作用增强支持培养神经元的突触生长。引人注目的是，通过阻断SAPAP磷酸化，阻止PSD的两个亚室在体内相互作用，导致支架蛋白从PSD亚室的两层分离。

原文链接：

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(23)00956-5

转自：“iNature”微信公众号

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