细胞表面信号传递的情况极其复杂。能够操纵细胞表面蛋白(CSPs)的时空分布来解剖信号的强大工具是非常需要的。有些CSPs是通过多价驱动的液-液相分离(LLPS)调节的。

2022年11月17日,清华大学李丕龙及杜娟娟共同通讯在Nature Chemical Biology(IF=16)在线发表题为“Programming cell-surface signaling by phase-separation-controlled compartmentalization”的研究论文,该研究表明通过相分离控制的区室化可以对细胞表面信号进行编程。利用LLPS的稳健性和多功能性,该研究设计了基于LLPS的工具来精确操作CSPs。

该研究通过融合多价模块化相分离支架对和CSP结合剂生成了膜-连接LLPS系统。支架对的相分离、膜上CSPs的伴随区室化以及CSPs的簇依赖信号输出需要一个或两个支架的膜募集。该研究还设计了正交相分离系统,将CSPs隔离到相互排斥的隔间中。设计的相分离系统可以有力地聚集单个CSPs,共聚集两个或多个CSPs,或将不同的CSPs隔离到细胞表面的不同隔间中。这些工具将能够高精度地解剖复杂的细胞信号景观。

另外,2022年11月2日,英国约翰英纳斯中心冯小琦与清华大学李丕龙合作在Nature杂志在线发表标题为“Histone H2B.8 compacts flowering plant sperm via chromatin phase separation”的研究论文,该研究表明蛋白变体H2B.8在拟南芥中介导精子染色质和核凝结。H2B.8的缺失导致精子核增大,染色质分散,而在体细胞中异位表达产生较小的细胞核,染色质聚集。这一结果表明H2B.8足以使染色质凝结。H2B.8聚集在转录不活跃的富含AT的染色质中形成相分离的凝聚体,促进核压实而不降低转录。互交杂交表明h2b.8基因突变减少了雄性遗传,这表明h2b.8介导的精子压实对生育能力很重要。总之,这项研究揭示了一种通过未表达染色质的全局聚集而形成的核压实新机制,提示H2B.8是开花植物的进化创新,它实现了与活性转录兼容的核凝结。

2022年4月27日,新疆医科大学米娜及清华大学李丕龙共同通讯在Cell Research在线发表题为“Myosin 1D and the branched actin network control the condensation of p62 bodies”的研究论文,该研究揭示了细胞骨架元素对自噬的调节作用,特别是对 p62 小体的凝聚作用。分支的肌动蛋白网络与 p62 体相关联,是它们凝聚所必需的。肌球蛋白 1D 是一种与肌动蛋白相关的分支运动蛋白,它驱动小纳米级 p62 体沿着分支肌动蛋白网络合并成大的微米级凝聚物。在细胞模型和肌球蛋白 1D 敲除小鼠中,肌动蛋白细胞骨架网络的损害会损害 p62 小体的凝聚并延缓自噬引起的底物降解。LLPS 支架与细胞骨架系统的偶联可能代表细胞对相凝聚过程施加时空控制的一般机制。

在高等真核生物中,细胞信号事件严重依赖于细胞表面蛋白(CSPs)的正确编程,包括受体和通道。一些CSPs,如受体酪氨酸激酶和死亡受体,以多聚化依赖性的方式被激活。在与配体接触后,它们被组织成特定的空间和时间模式,用于可靠的下游信号传递。此外,一些CSPs,如FRIZZLED,需要协同调节CSPs才能发挥适当的功能。对上述知识的阐明和随后的评价往往需要许多科学家几十年的工作。

特别是,研究缺乏已知配体/功能的CSPs仍然具有挑战性。因此,能够以不依赖配体的方式操纵CSP时空分布的稳健工具为调控CSP信号提供了新的机会,从而为破译庞大的CSP蛋白质组的功能开辟了新的途径。

机理模式图(图源自Nature Chemical Biology )

最近,液-液相分离(LLPS)已成为一种将某些CSPs组织成信号结构(如神经元突触和免疫突触)中功能单元的理化机制。这些膜上的相分离系统的一个共同主题是多组分体系,如Nck/ NWASP, SOS1/Grb2和SynGap/PSD95,在其生理浓度下不能诱导相分离。然而,当这些多价结合剂与它们的CSP伴侣结合时,局部浓度升高会触发相分离。受这些系统的启发,该研究着手探索如何设计可编程的LLPS介导的CSP集群,以及工程LLPS介导的CSP划分是否会导致可编程活动。该研究表明通过相分离控制的区室化可以对细胞表面信号进行编程。利用LLPS的稳健性和多功能性,该研究设计了基于LLPS的工具来精确操作CSPs。

该研究通过融合多价模块化相分离支架对和CSP结合剂生成了膜-连接LLPS系统。支架对的相分离、膜上CSPs的伴随区室化以及CSPs的簇依赖信号输出需要一个或两个支架的膜募集。该研究还设计了正交相分离系统,将CSPs隔离到相互排斥的隔间中。设计的相分离系统可以有力地聚集单个CSPs,共聚集两个或多个CSPs,或将不同的CSPs隔离到细胞表面的不同隔间中。这些工具将能够高精度地解剖复杂的细胞信号景观。

https://doi.org/10.1038/s41589-022-01192-3