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浙大徐素宏团队发现四次跨膜蛋白Tetraspanin快速应对
发布时间:2022-07-31 21:42:04 来源:hth华体会注册 作者:hth华体会比分


  细胞膜的完整性是细胞行使正常生命活动的前提,其维持无论是对单个细胞的稳态存活,还是生理、病理条件下人体组织的健康都是至关重要的。细胞膜在一些生理病理状况下会常常遭受来自物理(外科创伤、运动牵拉等)、化学(活性氧等)、生物学(细菌穿孔毒素等)等因素的损伤,修复失败往往引起疾病发生。例如,骨骼肌由于运动经常导致拉伤破损,肌细胞膜的修复缺陷会导致肌肉萎缩症和肌肉营养不良综合征。心肌细胞膜的修复障碍会导致心肌细胞死亡和心肌纤维化,可能引发心肌梗塞危及病患生命。另一方面,肿瘤细胞似乎有强大的修复能力应对免疫细胞的侵袭。对于单细胞而言,伤口尺寸大小影响修复效果,其修复机制也有所区别。如穿孔毒素(pore-forming toxins,PFTs)诱导的伤口较小(直径 100 nm),细胞多采用自密封、内吞及胞吐和ESCRT介导的出芽的机制对小伤口损伤进行修复。然而,哺乳动物细胞以及在体动物中,细胞如何修复较大伤口( 500 nm),其具体的亚细胞及分子机制尚不清楚。在该项工作中,研究者将目光聚焦于广泛分布于细胞膜上的四次跨膜蛋白(Tetraspanins, TSPs),发现TSP-15能够对针刺、激光、单线氧化学损伤、遗传突变所导致的损伤等多种细胞膜损伤方式发生响应,并在伤口处发生明显聚集形成环状结构可能参与维持伤口的尺寸。研究团队发现TSP-15环状聚集可以招募其它膜修复蛋白,例如SYX-2在在伤口处的聚集来促进细胞膜的修复。这一发现为理解在体动物水平单细胞损伤后如何实现细胞膜完整性结构修复和功能重塑提供了新的视角,对今后进一步深入研究细胞膜损伤修复的动态分子调控机制有重要意义。作者专访

  Cell Press细胞出版社公众号特别邀请徐素宏研究员代表研究团队接受了专访,请他为大家进一步详细解读。

  在细胞损伤后,维持质膜的完整性对细胞的存活至关重要,但是目前尚不清楚细胞如何在体内修复大的膜损伤,请问与较小的膜损伤相比,大的膜损伤修复有哪些难点?

  精准、快速、有效的细胞膜修复是维持损伤后细胞存活乃至恢复正常生命活动的前提。然而,细胞膜修复是复杂且时序性分子协同调控的过程,当较大的膜损伤(微米级或以上)发生时,细胞如何在复杂的生物体内环境中恢复其完整性仍是膜修复领域的一个挑战。与较小的膜损伤(纳米级)相比,在体研究大的膜损伤修复有以下难点:(1)同小型膜损伤相比,大型细胞膜损伤的形状和尺寸存在较大的不确定性,是否存在阈值?(2)细胞如何响应损伤并在极短时间内阻止大型伤口处的细胞内物质外溢?(3)较大的膜损伤早期信号有哪些,是否与小型伤口有所不同?已经被报道的钙离子、膜张力、H2O2等信号如何引起损伤修复相关转录组的时序性激活?(4)大面积的细胞膜破损导致损伤周围区域张力变化以及细胞骨架的重塑的作用是什么?这些细胞活动如何帮助恢复细胞膜完整性?(5)大型损伤导致伤口处的膜结构破坏和缺失,细胞通过什么机制补充缺失的膜结构?(6)大伤口修复需要更多种膜修复蛋白协同参与,并根据损伤特性按照时序性实现精准的定位及功能;(7)参与大伤口膜修复蛋白的转运机制是什么?(8)大型损伤可能涉及多种细胞内和细胞间甚至组织间修复途径的协同激活等等。

  Tetraspanin是一类保守的四次跨膜蛋白质,能够通过侧向富集膜受体蛋白、粘附分子、酶、信号分子以及胆固醇等形成四次跨膜蛋白富集结构域进而参与迁移体形成、细胞迁移、侵袭、细胞粘附以及细胞内运输等过程。TSP-15作为线虫中Tetraspanin家族蛋白成员之一,是维持膜完整性所必需的(已报道),我们的研究发现其同时能够对针刺、激光、单线氧化学损伤、遗传突变所导致的损伤等多种细胞膜损伤方式发生响应,并在伤口处发生明显聚集。TSP-15的聚集能够进一步招募重要的膜修复蛋白SYX-2富集于细胞膜缺损处帮助细胞膜修复,确保损伤后膜结构的完整性。因此我们推测TSP-15可能在膜修复过程中发挥招募膜修复相关蛋白的功能。另外体外研究也报道了另外一种Tetraspanin,Tspan4,该蛋白组织的膜微区TEM会较为迅速地在损伤口沿富集并进一步组装形成微米级宏结构域(TEMA),以较大的刚性类环状结构限制伤口进一步扩张,帮助细胞膜快速有效地修复损伤,保护细胞得以在损伤后存活。而TSP-15是否会发挥类似的作用有待进一步探究。

  为了探索TSP-15在伤口处聚集的调控机制,研究者首先通过活体成像并没有观察到TSP-15向伤口处明显的迁移,而是发现随着损伤后聚集于细胞膜缺损处的TSP-15的增多,伤口周围未损伤区域TSP-15信号逐渐减弱。因此,研究团队通过对经典内吞途径关键蛋白及介导囊泡的融合、成熟和循环等过程来参与囊泡的转运Rab GTPases(Rabs)的筛选发现RAB-5参与调控TSP-15在损伤前后的正确定位,可能由RAB-5参与调控的囊泡转运途径能够参与TSP-15向细胞膜缺损处转运。另外还发现组成内体分选转运复合体ESCRT III的关键亚基VPS-32.1以及ATP水解酶VPS-4是TSP-15向伤口处富集所必需的,因此也还可能存在其他以囊泡转运方式募集TSP-15的机制。

  研究发现无论是组成ESCRT III的关键亚基VPS-32.1还是相关ATP水解酶VPS-4功能减弱会显著抑制TSP-15在伤口处的聚集,导致TSP-15定位改变并滞留在RAB-5标记的异常形态囊泡上。我们推测由ESCRT参与调控的膜形态变化或者是囊泡转运途径可能在TSP-15向伤口富集的过程中发挥功能。

  研究者前期工作发现Syntaxin2(t-SNARE)是线虫表皮细胞膜修复所必需的。而在本研究中,研究团队通过生化和成像等实验发现TSP-15通过与膜修复蛋白SYX-2发生互作,损伤前是SYX-2向细胞膜定位所必需的,同时损伤后也是SYX-2向细胞膜缺损处富集所必需的。因此可以推测TSP-15可能通过招募SYX-2等参与细胞膜修复的分子定位于细胞膜缺损处来帮助细胞膜进行修复。

  该研究利用线虫表皮细胞损伤模型,通过遗传学、快速活体显微成像、基因编辑和内源性标记等技术,在活体动物体内再次尝试解析单细胞大的膜损伤的内源性调控机制,发现了新的膜修复关键蛋白(TSP-15)的可能转运途径,并联系了同已知膜修复蛋白(SYX-2)之间的互作关系。清华大学俞立教授实验室最近也在Nature Cell Biology在线发表“Assembly of Tetraspanin-enriched macrodomains contains membrane damage to facilitate repair”。该研究报道了哺乳动物中四次跨膜蛋白Tetraspanin 4(Tspan4)介导的细胞膜上大伤口的修复。他们发现在细胞膜受到激光、去污剂、细胞焦亡和自然杀伤细胞引起的损伤后,Tspan4会迅速地在损伤口富集并进一步组装形成微米级宏结构域(TEMA),以较大刚性的类环状结构限制伤口的进一步扩张,实现膜损伤的快速有效修复,这为四跨膜蛋白如何参与细胞膜损伤修复提供了很多理论参考,也为今后工作提供了很多启示。综合来看,未来的研究将探索(1)在动物体内,TSP-15如何响应损伤并如何借助囊泡或其他方式被快速定位于细胞膜缺损处;(2)损伤后不同时间段,TSP-15在伤口处聚集而成的环状结构除了有利于防止伤口的扩张,是否还有其它功能;(3)以及TSP-15是否会作为一个招募平台来动态参与调控其他有关膜修复蛋白在伤口处的聚集和功能。作者介绍徐素宏

  徐素宏,浙江大学百人计划研究员,博士生导师。主要研究方向是细胞膜损伤感应和修复的内源性调控机制,利用线虫为模型开展了一系列研究(详见)。主要成果发表在Developmental Cell,Nature Communications,Cell Reports等主流学术期刊上。

  1974年,我们出版了首本旗舰期刊《细胞》。如今,CellPress已发展为拥有50多本期刊的全科学领域国际前沿学术出版社。我们坚信,科学的力量将永远造福人类。

  原标题:《浙大徐素宏团队发现四次跨膜蛋白Tetraspanin快速应对线虫表皮细胞膜损伤促进修复 Cell Press对话科学家》


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