清华大学生命学院方晓峰实验室发现凝聚体可以内陷和切割细胞内膜

　　

多囊泡体（MVBs）是细胞内的重要细胞器，在细胞质量控制中扮演着关键角色。MVB膜通过内陷和切割形成腔内小泡（ILVs），负责分选蛋白质货物，这一过程需要ESCRT蛋白复合体消耗ATP来完成[1]。近些年研究显示，生物分子凝聚体是细胞行使其功能必不可少的结构，通过多种多样的机制发挥作用。凝聚体可以与膜相互作用发生“润湿（wetting）”并引发毛细（capillary）现象[2]。然而，润湿相关毛细力在细胞过程中的生物学意义仍然知之甚少。

2024年10月9日，清华大学方晓峰实验室与合作者在《自然》杂志（Nature）在线发表了题为《生物分子凝聚体介导内体膜的弯曲和剪切》（Biomolecular condensates mediate bending and scission of endosome membranes）的研究论文，揭示了植物蛋白FREE1相分离形成凝聚体，通过润湿作用诱导内体膜的内陷和不稳定性，足以在不依赖ESCRT机器和ATP的情况下介导ILV的形成。Nature杂志同期以Research Briefing的形式对该工作进行了题为Cell membranes shaped and cut by phase-separated liquid protein condensates的报道。

方晓峰实验室专注于研究相分离形成的凝聚体在植物感知、应答和记忆环境胁迫中的作用机制。研究人员首先利用实验室之前建立的相分离蛋白筛选体系[3]，发现植物ESCRT组分FREE1在体内和体外都具有很强的相分离能力，其N端内在无序区域（IDR）是驱动相分离的主要元件。此外，FREE1具有FYVE结构域，能够与膜脂质磷脂酰肌醇3-磷酸（PI3P）结合，从而定位到MVB膜上。进一步研究发现，凝聚体的形成显著增强了FREE1与膜的结合能力，且FREE1凝聚体作为支架，招募ESCRT其它组分作为客户端分子进入其凝聚体，增强它们与膜的结合能力。很重要的是，作者发现利用序列完全不同的FUS-IDR替换FREE1的IDR，能够完全回补free1突变体致死的表型；而失去了相分离能力的FUS-IDRm则不能，表明FREE1的相分离是其发挥功能必要且充分的条件。然而，作者发现FUS-IDR-FREE1虽然可以替代FREE1的功能，但不能与ESCRT相互作用从而招募它们进入其凝聚体中，暗示FREE1的凝聚体可以独立于ESCRT发挥功能。

进一步，研究团队通过体外重构和计算机模拟FREE1凝聚体与膜的相互作用，发现FREE1凝聚体可以在极短的时间内使得膜发生弯曲内陷。在体外重构实验中，研究者观察到在没有ESCRT复合体存在的情况下，FREE1凝聚体填充的小膜泡可以在大膜泡GUV内部自由扩散，表明FREE1凝聚体本身足以介导囊泡剪切。物理理论计算发现支持这一猜测。作者进一步提供了很强的遗传学证据：在缺失ESCRT的植物中过表达可以形成凝聚体的FUS-IDR-FREE1，发现能够很大程度上实现MVB内ILV的形成。最后研究者还发现，尽管可以相分离但不招募ESCRT的FUS-IDR-FREE1能够满足植物在正常条件下的生长发育，但不能满足植物在高盐和干旱等条件引起的渗透胁迫下的萌发和存活率，说明ESCRT蛋白机器和FREE1凝聚体可能是进化过程保留下来的实现MVB产生的双保险机制，也能够更好地应对环境的变化。胁迫条件下这两种机制如何相互协同还有待未来进一步研究。

综上，此研究揭示了一种不同于传统认知的、由ESCRT机器消耗ATP介导的、MVB产生的新机制：FREE1相分离形成的具有液态属性的凝聚体，通过润湿作用驱动MVB膜内陷，引起膜颈的不稳定进而完成膜的剪切形成ILV，该过程不依赖ESCRT机器和且不ATP消耗（图1）。

图1. 凝聚体介导ILV形成的工作模型。左边显示传统认为的通过ESCRT蛋白机器与ATP酶协同实现ILV产生的过程；右边显示本研究发现的凝聚体通过毛细力内陷MVB膜和对膜颈的切割实现ILV产生的过程。

清华大学生命科学学院方晓峰副教授和德国科隆大学Roland Knorr教授为该文通讯作者，清华大学生命学院博士后王艳宁、李树林和德国弗莱贝格工业大学的Marcel Mokbel博士为该文共同第一作者。东京工业大学Alexander May博士、弗莱贝格工业大学Sebastian Aland教授、伦敦大学学院Jaime Agudo-Canalejo教授、香港中文大学姜里文教授及其课题组梁子臻博士、中国科学院华南植物园曾咏伦研究员和清华大学葛亮副教授等人对该工作作了重要贡献。该工作获得了北京自然科学基金、国家自然科学基金、德国研究联合会、香港研究资助局和日本学术振兴会等经费支持。