JCB | 徐素宏实验室发现高尔基体可响应细胞膜损伤并调控修复

BioArt · 发表于 2023-5-13 09:16:59

高尔基体是真核细胞中一种重要的膜性细胞器，从Camillo Golgi 100多年前发现高尔基体结构开始，科学家们就热衷于对高尔基体的研究。George E. Palade和Albert Claude通过电子显微镜技术观察到高尔基体的精细结构和囊泡运输的过程，Randy Schekman通过酵母遗传筛选发现了高尔基体参与的囊泡运输中的关键分子，从而我们对高尔基体及其调控的蛋白质和内膜运输系统有了更深入的了解。目前的观点普遍认为，在大多数细胞里存在单个高尔基体，其结构呈现多个扁平囊堆叠的形态，各个囊之间时刻发生着快速的动态转换。高尔基体在维持细胞稳态方面发挥着重要作用，是聚糖、脂质和翻译后修饰蛋白质的生物合成中心，是蛋白质通过囊泡运输到特定目的地的分拣中心，也是细胞内膜系统的运转中心。定位于细胞膜或其他膜性细胞器的多种蛋白质和脂质成分均需要通过高尔基体来源的囊泡转运途径。随着科学家们对高尔基体了解的逐步深入，越来越多高尔基体的功能被逐渐揭示。

2023年5月9日，浙江大学徐素宏实验室在Journal of Cell Biology期刊上发表了 Triggered Golgi membrane enrichment promotes PtdIns(4,5)P2 generation for plasma membrane repair 的研究论文，他们对线虫表皮细胞进行在体损伤，发现了表皮细胞里存在很多分散的高尔基体，并且发现这些高尔基体以及高尔基体来源的囊泡膜能够响应损伤，聚集于细胞膜损伤处帮助膜修复，通过提供细胞膜缺失的磷脂成分参与细胞膜修复。

细胞膜的完整性确保了细胞各项生命活动的正常运行，是细胞维持生命稳态的基础。细胞能够快速感应细胞膜损伤并启动细胞膜修复程序，实现其膜精细结构重建和功能重塑。当受精卵、神经细胞、骨骼肌或心肌等无法通过分生组织更新的细胞膜破损后，必须实现修复以维持细胞功能，修复障碍往往导致各种疾病。但领域内对于细胞膜受损后，缺失的细胞膜如何得以修复仍知之甚少。为此作者对线虫表皮细胞膜上的磷脂酰肌醇成分进行荧光示踪标记，发现在细胞膜破损后，细胞膜上的含量最为丰富的4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PtdIns(4,5)P2）在损伤处大量丢失，但随后在伤口处得以逐渐恢复，提示损伤造成细胞膜缺失的PtdIns(4,5)P2可能通过某种方式得以重新合成（图1）。

图 1 秀丽隐杆线虫表皮细胞膜上PtdIns(4,5)P2损伤后得以恢复

为了寻找PtdIns(4,5)P2的来源，作者进一步探索发现PtdIns(4,5)P2的前体4-磷酸磷脂酰肌醇（PtdIns4P）会在伤口富集，和细胞膜缺损处富集的PtdIns(4,5)P2有很好的共定位，且参与合成PtdIns(4,5)P2关键蛋白的PPK-1/PI4P5K也会在损伤后聚集在伤口处。阻碍合成PtdIns4P关键蛋白PI4K或者PPK-1/PI4P5K的功能，则细胞膜缺损处PtdIns(4,5)P2的恢复将明显减弱，且抑制PI4K的功能亦会导致线虫表皮细胞膜的修复效率减弱。

随后，为了寻找参与恢复PtdIns(4,5)P2的PtdIns4P来源，根据领域内的研究，作者标记了细胞中富含PtdIns4P的高尔基体组分，发现有别于大部分细胞中高尔基体集中分布在细胞核周边的状态，线虫表皮细胞的高尔基体均匀分布在整个细胞之中。在损伤后，线虫高尔基体的多种组分均响应损伤并聚集在细胞膜缺损处，这是以往的研究从未被发现的。如果阻止高尔基体的移动或者是直接去除高尔基体以减少高尔基体向细胞膜缺损处的聚集，破损细胞膜的修复效率和线虫损伤后的存活率将显著降低（图2）。

图2 高尔基体组分响应损伤且参与细胞膜修复

另外研究团队发现，如果特异性阻碍高尔基体相关囊泡转运或特异性减少高尔基体定位的PtdIns4P含量均会导致PtdIns(4,5)P2在伤口的富集减弱，揭示在伤口聚集的高尔基体以及高尔基体来源的囊泡提供了PtdIns(4,5)P2合成所必需的PtdIns4P。

总之，研究团队这项工作提出了高尔基体参与修复破损细胞膜的模型：细胞膜损伤后高尔基体向伤口处聚集帮助修复，通过提供富含PtdIns4P的膜组分填补膜缺损，同时PPK-1/PI4P5K聚集在这些膜组分附近，将PtdIns4P转换成细胞膜的主要磷脂酰肌醇成分PtdIns(4,5)P₂, 以实现细胞膜结构和功能的完整性修复。该研究利用线虫表皮细胞损伤模型，通过遗传学、快速和高分辨活体显微成像、基因编辑、药物学等技术，在活体动物体内再次尝试解析单细胞损伤的内源性调控机制，首次发现了细胞内蛋白修饰和转运的重要细胞器高尔基体能够响应细胞膜损伤并参与细胞膜修复。这一现象为今后通过遗传学筛选参与调控细胞膜损伤修复的关键分子奠定了基础，同时也为研究复杂环境下研究细胞损伤内源性修复和再生机制提供了更多可能。

该项工作与浙江大学刘伟、孙启明、Dante Neculai、周以侹和徐浩新等多位教授进行了十分有启发性的讨论和帮助。徐素宏教授为本文的通讯作者，浙大爱丁堡联合学院博士后孟曦男博士和医学院徐素宏实验室长期以来聚焦细胞膜损伤修复研究，近几年发现了多种细胞膜损伤感应模式和关键膜修复大分子。团队拟招聘3名博士后，待遇优厚。计划在神经细胞膜损伤感应与修复开拓新的研究方向。

原文链接：

https://doi.org/10.1083/jcb.202303017

制版人：十一

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