生命學(xué)院李蓬實驗室揭示凝膠樣二維相分離介導(dǎo)脂滴相互作用、脂滴融合以及脂穩(wěn)態(tài)調(diào)控
脂滴是細(xì)胞內(nèi)儲存中性脂質(zhì)的細(xì)胞器，在脂穩(wěn)態(tài)調(diào)控和疾病發(fā)生中扮演著重要的角色，脂滴的生成、融合和生長缺陷可導(dǎo)致代謝性疾病如肥胖、脂肪肝、糖尿病和動脈粥樣硬化等的發(fā)生發(fā)展。CIDE家族蛋白（包含Cidea，Cideb與Cidec/Fsp27）是一類脂滴結(jié)合蛋白，主要富集于脂滴-脂滴接觸位點（lipid droplet contact site，LDCS），介導(dǎo)中性脂從小脂滴（供體）向大脂滴（受體）的轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)脂滴融合和增大，促進(jìn)中性脂在細(xì)胞內(nèi)的儲存，是脂穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)者。然而，CIDE蛋白在LDCS上富集的生物化學(xué)機制，LDCS處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及其介導(dǎo)脂質(zhì)流通和脂滴融合的機制仍不清楚。
2021年9月10日，清華大學(xué)李蓬團隊在Developmental Cell雜志上在線發(fā)表了題為“Cidec通過凝膠樣相分離產(chǎn)生脂質(zhì)可透過盤狀結(jié)構(gòu)促進(jìn)脂滴融合”（A gel-like condensation of Cidec generates lipid-permeable plates for lipid droplet fusion）的研究論文，作者通過生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、超分辨影像系統(tǒng)以及生物物理學(xué)建模手段，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)脂滴融合的重要蛋白Cidec可通過凝膠樣的特殊相分離方式富集于LDCS，組裝并形成高度可塑的、可允許脂質(zhì)在脂滴間交換和轉(zhuǎn)移的脂滴融合盤結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)中性脂從小脂滴向大脂滴轉(zhuǎn)移，最終實現(xiàn)脂滴融合生長以及高效的脂質(zhì)儲存。該研究首先提出并證明了相分離在細(xì)胞器互作和脂穩(wěn)態(tài)調(diào)控中的作用。
近十年來許多研究表明：相分離引起的在特定亞細(xì)胞器上的蛋白富集是促進(jìn)時空調(diào)控特定復(fù)雜生物學(xué)功能的必要因素。作者首先運用成像技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)Cidec在LDCS上富集主要由Cidec的N端同型多價互作介導(dǎo)，接著作者純化了Cidec-N蛋白，與其他可進(jìn)行液-液相變的蛋白不同，Cidec-N在體外可進(jìn)行凝膠樣（gel-like）相分離（圖1），細(xì)胞內(nèi)影像實驗也進(jìn)一步證明了Cidec-N介導(dǎo)的凝膠樣特性，同時證明了Cidec-N介導(dǎo)的凝膠樣相分離是Cidec介導(dǎo)脂滴融合和生長的必要條件（圖1）、作者繼續(xù)使用多種成像技術(shù)以及生物物理建模方法，發(fā)現(xiàn)Cidec在脂滴結(jié)合處通過二維相分離會組裝形成高度可塑的且脂質(zhì)可交換和轉(zhuǎn)移的脂滴融合盤結(jié)構(gòu)：他們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)供體脂滴在融合過程中逐漸縮小時，脂滴融合盤的寬度（w）與脂質(zhì)可滲透面積（A）受供體脂滴大小的限制，而厚度（s）維持不變（圖2）。作者進(jìn)一步通過電子斷層掃描成像與超分辨熒光成像鑒定了接觸位點的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是隨機分布的多個孔隙，并且成像測得的孔隙大小和脂質(zhì)轉(zhuǎn)運能力相匹配。最后，該研究還發(fā)現(xiàn)供體脂滴可能通過曲率的變化，降低相分離的效率（reverse phase separation）限制CIDE蛋白在脂滴結(jié)合處的富集，減小了脂滴融合盤的結(jié)構(gòu)，降低了脂質(zhì)轉(zhuǎn)移的速度和脂滴融合的效率，揭示CIDE蛋白的相分離與反向相分離的協(xié)同作用可以有效控制脂滴融合過程中中性脂的轉(zhuǎn)移與脂滴的穩(wěn)定性（圖2）。
綜上，這項研究揭示了膜限制的Cidec二維相分離是脂滴相互作用和脂滴融合盤結(jié)構(gòu)形成以及脂滴融合的基礎(chǔ)，同時指出這類膜結(jié)合的二維性相分離可能也介導(dǎo)細(xì)胞器互作、膜融合、細(xì)胞器內(nèi)含物的交換或分子轉(zhuǎn)運等重要細(xì)胞生物學(xué)過程。這讓我們再次見識到蛋白相分離所展現(xiàn)的廣泛生物學(xué)功能。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院呂旭超博士、王佳博士、和博士生王劍琴同學(xué)為該論文的共同第一作者，李蓬教授和復(fù)旦大學(xué)代謝與整合生物學(xué)研究院陳豐榮青年研究員為共同通訊作者。新加坡國立大學(xué)Thorsten Wohland教授，中國科學(xué)院力學(xué)所龍勉教授，清華大學(xué)李丕龍副教授，北京大學(xué)王世強教授、孫育杰教授和陳曉偉研究員對該研究提供了重要的技術(shù)支撐。
本項研究得到膜生物學(xué)國家重點實驗室，清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心，清華大學(xué)設(shè)施蛋白質(zhì)冷凍電鏡平臺的支持，以及國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金委的資助。
圖1. 體外純化Cidec-N-GFP和FUS-GFP液滴的熒光漂白恢復(fù)影像圖；Cidec-GFP和hnRNPDL(IDR)-Cidec-GFP蛋白（綠色）在細(xì)胞內(nèi)介導(dǎo)脂滴（紅色）融合與成長的熒光圖像。
圖2. 脂滴融合圓盤的示意圖及其形狀特點；模型展示Cidec相分離與反向相分離介導(dǎo)脂質(zhì)可滲透圓盤的組裝與拆解
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.08.015
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