生命學院José C. Pastor-Pareja課題組報道果蠅內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體結(jié)構(gòu)組成
蛋白質(zhì)分泌對于真核生物的形態(tài)發(fā)生和生理過程至關(guān)重要。在早期的分泌途徑中，蛋白質(zhì)貨物先在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出口處被收集，經(jīng)一系列高度保守的膜出芽及融合相關(guān)蛋白的共同作用轉(zhuǎn)運至高爾基體。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體轉(zhuǎn)運過程受精密的調(diào)控，多年來的研究已經(jīng)讓我們從遺傳和生化的角度較詳盡地了解了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體物質(zhì)交換途徑及背后的分子機制[1]。然而，膠原等巨型貨物的早期分泌機制仍不清晰，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體的結(jié)構(gòu)組成以及介導(dǎo)貨物運輸?shù)哪ぽd體類型等問題仍有待解決。
2021年9月14日，清華大學生命學院José C. Pastor-Pareja課題組在《Cell Reports》雜志上發(fā)表了題為“果蠅內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出口處有大量的囊泡和珠狀小管，但沒有巨型載體（ER exit sites in Drosophila display abundant ER-Golgi vesicles and pearled tubes but no megacarriers）”的研究論文，該文報道了果蠅脂肪體及翅膀盤的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體結(jié)構(gòu)組成，發(fā)現(xiàn)了參與雙向運輸?shù)?、與高爾基體相連的前順式高爾基體區(qū)域，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出口-高爾基體區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量的囊泡和珠狀小管，并且沒有發(fā)現(xiàn)巨型運輸載體 (圖1)。
圖1.果蠅內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體單元的結(jié)構(gòu)組成
此研究主要使用轉(zhuǎn)基因果蠅、三維結(jié)構(gòu)照明顯微鏡、透射電子顯微鏡和聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）技術(shù)描繪果蠅內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體單元的結(jié)構(gòu)組成，其中囊泡蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出口（ERES）-高爾基體界面呈現(xiàn)COPII中心/COPI四周型分布，與此前在畢赤酵母中的報道相似[2]，隨后的藥物實驗提示兩者存在功能聯(lián)系。在果蠅內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體單元內(nèi)發(fā)現(xiàn)了區(qū)別于順式高爾基體的前順式高爾基體區(qū)域，前順式高爾基體區(qū)域可被Grasp65和GM130標記，遺傳學實驗表明該區(qū)域為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體間雙向運輸所需要。隨后，通過對FIB-SEM觀察的果蠅脂肪體和翅膀盤的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體單元進行三維重構(gòu)（圖2），進一步描繪了果蠅內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體單元的基本結(jié)構(gòu)特征，并發(fā)現(xiàn)在翅膀盤內(nèi)過表達Tango1可以增加ERES區(qū)域的大小，這與Tango1在界定ERES中的作用一致[3]。
圖2.果蠅脂肪體組織內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體單元的FIB-SEM觀察及三維重構(gòu)
此外，三維重構(gòu)發(fā)現(xiàn)在分泌膠原的脂肪體以及翅膀盤中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體區(qū)域有大量囊泡和出芽結(jié)構(gòu)，囊泡直徑均呈現(xiàn)雙峰分布（圖3），這兩群囊泡在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體界面呈中心、四周型分布。同時，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基間存在聯(lián)通內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與高爾基體的珠狀小管結(jié)構(gòu)（圖3），與近期報道的哺乳細胞內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體串珠樣載體相似[4]，并且沒有發(fā)現(xiàn)巨型運輸載體。本研究提示果蠅同時存在囊泡運輸和管狀運輸，為從進化角度進一步理解蛋白質(zhì)早期分泌途徑以及膠原等巨型貨物的運輸機制提供了重要依據(jù)。
圖3. 果蠅翅膀盤內(nèi)的囊泡和珠狀小管結(jié)構(gòu)
此項研究工作使用轉(zhuǎn)基因果蠅和高分辨成像技術(shù)詳盡描繪了果蠅脂肪體和翅膀盤內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體單元的結(jié)構(gòu)組成，文章的主要發(fā)現(xiàn)對理解蛋白質(zhì)早期分泌途徑有重要意義。
清華大學生命學院José C. Pastor-Pareja研究員為本文的通訊作者，清華大學生命學院2018級博士生楊珂和清華大學生命學院博士后劉敏為本文并列第一作者，課題組成員馮智、Marta Rojas、周玲建和柯紅梅參與了研究工作。本項研究得到了清華大學設(shè)施蛋白質(zhì)冷凍電鏡平臺的支持，受到清華-北大生命科學聯(lián)合中心和國家自然科學基金委的資助。
原文鏈接：http://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109707
José Carlos Pastor-Pareja 實驗室：http://joselab.life.tsinghua.edu.cn
延伸閱讀：
1. Mironov, A.A., and Beznoussenko, G.V. (2019). Models of Intracellular Transport: Pros and Cons. Front Cell Dev Biol 7, 146.
2. Roy Chowdhury, S., Bhattacharjee, C., Casler, J.C., Jain, B.K., Glick, B.S., and Bhattacharyya, D. (2020). ER arrival sites associate with ER exit sites to create bidirectional transport portals. J Cell Biol 219.
3. Liu, M., Feng, Z., Ke, H., Liu, Y., Sun, T., Dai, J., Cui, W., and Pastor-Pareja, J.C. (2017). Tango1 spatially organizes ER exit sites to control ER export. J Cell Biol 216, 1035-1049.
4. Weigel, A.V., Chang, C.L., Shtengel, G., Xu, C.S., Hoffman, D.P., Freeman, M., Iyer, N., Aaron, J., Khuon, S., Bogovic, J., et al. (2021). ER-to-Golgi protein delivery through an interwoven, tubular network extending from ER. Cell 184, 2412-2429 e2416.
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