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Nat Comm | 缪岩松/高永贵合作揭示Aip5相变助力微丝聚合 ?
2019-11-13

责编 | 酶美


微丝 (F-actin)是细胞骨架的重要组成部分。微丝的组装和构架形态决定了酵母和丝状真菌的极性生长,包括致病或者非致病类的真菌生长。在快速的极性生长中,微丝如何响应细胞的需要从而准确快速把单体状态的肌动蛋白 (G-actin) 组装成柱状聚集的微丝 对细胞极性生长极为关键。真菌类微丝在细胞内主要用于传送蛋白和囊泡物质的运输,也被称为actin cable. 然而G-actin要聚合成actin cable 是要由很多特定的肌动蛋白结合蛋白 (actin binding proteins, ABPs)来协调不同的组装步骤。至今,有大量的研究报道是关于ABPs单独蛋白功能是如何精确调控actin cable快速聚合和解聚的过程。在这些步骤中,一个核心的起始步骤是成核(Nucleation), 单体变成最初的三体的过程。此步骤受到严格的信号调控。如果不然,微丝结构和形态的变化就会影响到全方位细胞内各大运输途径产生严重问题。深入地了解不同的ABPs在正常细胞生长者或者胁迫条件下是如何共同调控actin cable的成核步骤具有重要的意义。


2019年11月7日,Nature Communications在线发表了新加坡南洋理工大学缪岩松Yansong Miao教授和高永贵Yong-Gui Gao教授(第一作者谢莹孙嘉璘的联合研究成果:Polarisome scaffolder Spa2-mediated macromolecular condensation of Aip5 for actin polymerization



在酿酒酵母正常的出芽生长(极性生长的一种)情况下,actin cable是受到一个蛋白复合体Polarisome的调控而开始快速组装。在Polarisome蛋白复合体中,肌动蛋白成核因子Bni1能快速帮助G-actin从单体聚合成核,从而大大加快F-actin的形成。在这个研究中,作者发现一个功能未知的新polarisome蛋白复合体成员Aip5。Aip5蛋白的主要功能是通过直接结合Bni1,从而增强Bni1促进G-actin聚合成核的能力。通过解析Aip5-C蛋白的晶体结构,作者还确定了Aip5-C一段肽段 (loop region)能直接结合G-actin。通过分析Aip5的蛋白序列,发现Aip5的C端 (Aip5-C)序列是在真菌家族中非常保守的,但并无动物或者植物里面同源蛋白,而且Aip5-C也正是整个蛋白的功能域。这意味着可以特异地干扰真菌的极性生长,但不改变动植物的信号传导通路。


Aip5蛋白另一个结构特性也引起了研究者极大的兴趣 。该蛋白从N端开始是无序的 (intrinsically disordered region ,IDR),而且这一IDR占据了总蛋白序列90%的长度。无序的Aip5导致了其蛋白异质聚集的特性。这种多维度交联特性赋予Aip5蛋白相变 (phase separation,PS)的特性。这一报道发现Aip5-N能直接结合polarisome的蛋白Spa2,而且其相变特性会被polarisome 核心成员Spa2来调节,Aip5蛋白的相变是受到Spa2蛋白无序序列调控。Spa2让Aip5 在流动性强的液相和流动性弱的非晶态组装之间转换。Spa2蛋白在结合Aip5的同时能够让其相变的状态更趋向于液态性质从而让Aip5 的分子在分离相内外的交换速率产生变化,无论在体内还是体外(图1A-D)。而进一步的实验结果表明,在细胞承受环境胁迫时,Aip5会聚集在细胞质中形成condensates并与Spa2共定位 (图1E)。Spa2介导Aip5的液质状态对于细胞抗逆生存是更有利的 (图1F)。环境胁迫条件下,如果没有Spa2蛋白, actin cable会遭到更大程度的破坏;当细胞回复到合适营养生长环境以后,actin cable无法快速响应回到正常组装的状态,整体细胞的恢复能力下降。


图1. Spa2调控Aip5蛋白相变的特性。(A, B)通过荧光恢复实验阐明了体外纯化的Aip5蛋白在PEG营造的粘性环境中会发生弱流动性的非晶体相变,但Spa2蛋白的加入能改变其相变状态至更趋向与液体状。(C,D)通过荧光恢复实验阐明了在酵母细胞内Aip5蛋白在极性生长的子细胞端是呈液体状的,然而在受逆境胁迫时形成的Aip5 condensates会大大降低其分子流动性。该流动性状态会在去除其调控因子Spa2时受到更大削弱。(E)Aip5蛋白在逆境胁迫时形成的condensates是与Spa2蛋白共定位的。(F)在胁迫条件下酵母细胞的生长状态,Aip5蛋白在没有其调控因子Spa2的细胞中形成的condensates是对细胞生长有害的。


报道阐述了一种细胞如何通过相变来保护actin cable从而去面对逆境挑战的机理。这一报道是首次提出polarisome 蛋白复合体具有相变性质的研究,其对进一步了解在不同细胞生长条件下ABPs如何共同调控微丝组装的机制提出了新思路 。


图2. Polarisome蛋白复合体的相变及功能示意图


原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13125-1.pdf


制版人:珂


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