中國(guó)科大細(xì)胞動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚雪彪、劉行聯(lián)合團(tuán)隊(duì)闡明了EB1蛋白相分離調(diào)控紡錘體動(dòng)力學(xué)與細(xì)胞分裂命運(yùn)抉擇的物理化學(xué)機(jī)制，向解析生物大分子凝聚態(tài)調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)可塑性理論研究邁出了重要一步。這一研究成果于北京時(shí)間12月20日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然-細(xì)胞生物學(xué)》雜志上。
細(xì)胞是生命活動(dòng)的最小功能單元，生物大分子通過(guò)構(gòu)筑形態(tài)與功能各異的區(qū)室，精準(zhǔn)催化生物化學(xué)反應(yīng)，調(diào)控細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)與增殖質(zhì)量。細(xì)胞骨架是其區(qū)室化的物質(zhì)基礎(chǔ)，參與細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞間信息交流與細(xì)胞選擇性應(yīng)答胞外微環(huán)境的命運(yùn)可塑性。1967年，美國(guó)芝加哥大學(xué)Borisy & Taylor在探索細(xì)胞分裂分子機(jī)制時(shí)，利用秋水仙堿作為化學(xué)探針發(fā)現(xiàn)與純化了微管蛋白，并發(fā)現(xiàn)微管蛋白可組裝成25納米外徑的真空管 [J Cell Biol. 34, 525 (1967)]。隨后，美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校Cleveland & Kirschner克隆了α,β-微管蛋白的基因并測(cè)定了其氨基酸序列[Cell. 15, 1021 (1978); Nature. 289, 650 (1981)]，確定了β-微管蛋白催化GTP的化學(xué)特征。鑒于微管蛋白聚合組裝過(guò)程中展現(xiàn)的物質(zhì)性狀，Mitchison & Kirschner在1984年提出了“Dynamic Instability”模型，用于解釋微管的動(dòng)態(tài)規(guī)律與β-微管蛋白在正末端的穩(wěn)定性。此后，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Nogales研究組解析了高分辨冷凍電鏡微管三維結(jié)構(gòu) [Cell. 162, 849 (2015)]，但是由于微管組裝與解聚高度動(dòng)態(tài)，實(shí)驗(yàn)無(wú)法捕獲微管組裝與解聚反應(yīng)過(guò)程的中間態(tài)結(jié)構(gòu)，微管組裝與解聚物理化學(xué)機(jī)制與Dynamic Instability的化學(xué)基礎(chǔ)至今仍不清晰。
1995年，美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)Vogelstein研究組在解析家族性直腸癌基因APC突變體功能易感性時(shí)發(fā)現(xiàn)了APC的重要調(diào)控蛋白EB1 [Cancer Res. 55, 2972 (1995)]。隨后的研究提示：APC通過(guò)EB1與微管連接，維系細(xì)胞分裂過(guò)程的基因組穩(wěn)定性，家族性直腸癌基因APC突變體缺失與EB1結(jié)合能力，從而導(dǎo)致染色體不穩(wěn)定性。但是，EB1如何招募眾多的APC類蛋白（人類基因組顯示約有1000種含SxIP基序蛋白）與動(dòng)態(tài)變化的β-微管蛋白結(jié)合一直是細(xì)胞生物學(xué)、生物物理學(xué)與分子病理學(xué)未解答的問(wèn)題。
中國(guó)科大細(xì)胞動(dòng)力學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在解析細(xì)胞分裂微管動(dòng)力學(xué)機(jī)制時(shí)，于2009年發(fā)現(xiàn)與克隆了一個(gè)新穎的EB1結(jié)合蛋白TIP150 [EMBO Rep. 10, 857 (2009)]。TIP150含有典型EB1結(jié)合蛋白基序SxIP，負(fù)責(zé)招募微管解聚酶MCAK，在動(dòng)態(tài)組裝微管的正末端形成催化區(qū)室。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)在2012年采用單分子技術(shù)TIRFM與FRET，解析了EB1與TIP150的動(dòng)態(tài)作用機(jī)制與化學(xué)基礎(chǔ)[PNAS. 109, 16564 (2012)]。由于EB1選擇性識(shí)別與結(jié)合正在聚合的動(dòng)態(tài)微管結(jié)構(gòu)，EB1的構(gòu)效關(guān)聯(lián)研究也成為解析微管Dynamic Instability的有效路徑。但是EB1含有較長(zhǎng)的柔性區(qū)域，無(wú)法獲得全長(zhǎng)蛋白的三維結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)利用活細(xì)胞光敏定位超高分辨顯微成像與熒光蛋白互補(bǔ)策略，發(fā)現(xiàn)了柔性區(qū)域堿性氨基酸在EB1二聚化與調(diào)控微管動(dòng)態(tài)性的功能[MBoC. 25, 4166 (2014)]。利用多色單分子分析、非天然氨基酸嵌入與三維類器官多維度成像等方法，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合團(tuán)隊(duì)揭示了EB1第66位賴氨酸動(dòng)態(tài)巴豆酰化修飾與微管結(jié)合的動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制及其對(duì)細(xì)胞分裂紡錘體定向穩(wěn)定性維系的作用機(jī)制[Nature Chem Biol. 288, 1314 (2021)]。
隨著結(jié)構(gòu)照明成像技術(shù)的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)了EB1蛋白在活細(xì)胞動(dòng)態(tài)微管追蹤過(guò)程的液滴表征，利用基因編輯、物理化學(xué)模擬堿性氨基酸的豐度與間隔，并結(jié)合超高分辨成像，揭示了EB1蛋白的相分離特征與凝聚態(tài)物質(zhì)基礎(chǔ)，解析了相分離驅(qū)動(dòng)EB1蛋白的微管正端追蹤功能。至此，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)闡明了EB1蛋白相分離調(diào)控紡錘體微管可塑性的物理化學(xué)機(jī)制，向解析生物大分子凝聚態(tài)調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)可塑性理論研究邁出了重要一步。此外，雜志同期發(fā)表了瑞士保羅謝爾研究所和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院以及荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的兩篇合作論文，他們利用低等真核細(xì)胞酵母，證明了EB1酵母同源蛋白的相分離特征。
合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心宋曉玉副研究員、楊豐瑞博士、楊通通同學(xué)、丁明瑞博士、李林格同學(xué)與武漢大學(xué)汪勇同學(xué)為本論文的共同第一作者，項(xiàng)晟祺、許超、王志凱、符傳孩、臧建業(yè)、侯中懷和施蘊(yùn)渝院士等課題組參與了該項(xiàng)研究。
該研究工作得到了科技部、自然科學(xué)基金委、教育部、中科院、安徽省等的資助和支持。
EB1蛋白相分離調(diào)控細(xì)胞分裂命運(yùn)可塑性的示意圖
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41556-022-01033-4
（無(wú)膜細(xì)胞器與細(xì)胞動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、生科院、科研部）
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