Cell丨張宏組揭示mTOR調控相變以及自噬性降解的機制——李丕龍解讀

BioArt按

在線蟲中有一種通常被稱為P顆粒(P granules)的物質，是線蟲性腺中細胞核周圍與RNA作用的蛋白質組分，能夠發生「相變」，處於動態變化中，類似於水中的油滴可以相互碰撞、融合，是當前相變研究的一個熱點。2009年，德國馬普所Anthony A. Hyman實驗室率先在

Science

上報道了P顆粒相分離的的研究成果

【1】

，該研究成果在相分離領域具有里程碑意義。2012年，德克薩斯西南醫學中心Michael Rosen實驗室和Steven McKnight實驗室各自獨立發表論文在試管中再現了「相分離」過程，是相變領域的突破性研究成果

【2,3】

。從2015年起，相變領域開始井噴式發展，2018年上升到了一個新的研究熱潮，BioArt也陸續報道了該領域的成果（李丕龍特評丨生物大分子的「相變」——簡談近期系列「相變」研究成果；Science亮點丨超級增強子通過相分離調控基因表達；Nature丨廈大/UCB周強組揭示相分離對基因轉錄調控的分子機制；Cell亮點丨mTORC1通過調節擁擠來控制相分離和細胞質的生物物理性質；Cell丨張明傑組破解突觸的建立與可塑性調節的機制——溫文玉解讀；復旦溫文玉組揭示蛋白相變調控細胞命運決定因子定位的分子機制）。前不久，雖然Cell發表了有關於mTORC1調節擁擠控制細胞內環境的相分離過程的報道

【4】

，但是這並不意味著mTORC1調控相變的形式是單一的。剛剛在線的來自中科院生物物理所

張宏

課題組發表在Cell上的這項工作，則是以線蟲中的

P顆粒為研究對象，

把mTORC1對PGL-1和PGL-3的調控以及此前幾乎所有相關發現統一在一個共同的框架下—液-液分離相變（

liquid-liquid phase separation ，LLPS

），具有重要的意義！

有鑒於此，BioArt也特別邀請到了清華大學生科院較早從事相分離研究的

李丕龍

研究員對該工作進行深度

解讀，以饗讀者！

解讀丨李丕龍

（清華大學生命科學學院研究員）

責編丨迦   漵

張宏老師課題組以秀麗線蟲作為模式動物，鑒定了一系列多細胞生物特異的自噬新基因並闡明其作用機制，同時建立了線蟲發育過程中自噬活性調控機制的模型。他們發現在線蟲胚胎髮育的過程中，有許多蛋白聚合體是被自噬作用選擇性地降解，包括了特異存在於生殖細胞中的

P顆粒

（P granules）

。舉幾個例子，他們克隆了SEPA-1，一個介導P顆粒被自噬系統選擇性降解的關鍵受體因子

（Cell，2009）

【5】

；他們與清華大學俞立課題組合作鑒定了一個線蟲特異的scaffolding蛋白EPG-2，通過與SEPA-1和LGG-1

(線蟲的Atg8同源蛋白)

互作，對P顆粒被自噬系統選擇性降解起關鍵作用

（Cell，2010）

【6】

；之後，他們又發現P顆粒蛋白PGL-1和PGL-3的精氨酸甲基化調控兩者被自噬系統選擇性降解

（Molecular Cell，2013）

【7】

，等等。

最近張宏課題組又有一篇文章被

Cell

接受，剛剛online。在我認為，

這篇文章把張lab在本領域的貢獻提升到了一個新的高度

。首先，這篇文章發現在脅迫

（stress）

條件下， mTORC1磷酸化PGL-1和PGL-3從而達到抑制其被自噬系統選擇性降解。更重要的是該文章把mTORC1的對PGL-1和PGL-3

（

PGL-1和PGL-3是

P顆粒的組分）

調控以及此前幾乎所有相關發現統一在一個共同的框架下--液-液分離相變。這個框架無疑會繼續對未來該領域的進一步的發現提供理論依據。

具體來說，該文章有如下的一些重要發現

：

1）PGL-1和PGL-3都能夠單獨發生液-液分離相變

（圖1A,B）

（2016年，Anthony A. Hyman實驗室在Cell上曾發表論文報道了mRNA促進了PGL-3的相變，而RNA結合蛋白MEX-5則能夠抑制這一過程

【8】

）

，兩者共存協同促進彼此的相變能力

（圖1C）

，SEPA-1通過結合PGL-3而促進PGL-1/-3發生相變的潛能

（圖1E）

。這個體系相變發生的推動力和其它已經報道的發生相變的生化體系的推動力一樣，都是多價互作介導的。相變的結果也是形成蛋白高度濃縮的液態相；

圖1. 

PGL-1和PGL-3的液-液分離相變

2）PGL-1和PGL-3的RGG domain的精氨酸能被EPG-11

（PRMT1的同源蛋白）

甲基化

【7】

。甲基化減弱PGL-1/PGL-3及SEPA-1/PGL-3/PGL-1等體系相變的能力

（圖2）

。但是這個結果如何和EPG-11突變體中SEPA-1/PGL-3/PGL-1被自噬降解減弱需要進一步思考求證；

圖2. 在有精氨酸甲基轉移酶EPG-11的情況下，加入甲基化供體SAM對相變形成的影響

3）EPG-2結合在SEPA-1/PGL-3/-1液滴的表面

（圖3）

，調控其大小及物理性質，使之流動性減弱，逐漸變成水凝膠狀態。在此條件下，由相變形成的PGL顆粒更容易被脂膜包被，形成自噬體

（autophagosome）

，從而被降解；

圖3. EPG-2結合在SEPA-1/PGL-3/-1液滴的表面

4）在熱脅迫

（stress）

條件下，PGL顆粒在胚胎的體細胞中積累

（圖4）

。用後者的消失作為readout，作者們篩到三個PGL-1的點突變的突變體。這些突變體形成的PGL顆粒更接近水凝膠而更容易被自噬作用選擇性降解。所以這些突變體動物在熱脅迫條件下PGL顆粒在胚胎的體細胞中積累的現象消失；

圖4. PGL顆粒在胚胎的體細胞中積累

5）

在熱脅迫條件下，mTORC1磷酸化PGL-1/PGL-3，促進其相變的能力，由此產生的液滴由於其物理特性及組成的不同，而不易被自噬作用選擇性降解

（圖5）

。這應該是在熱脅迫條件下，PGL顆粒在胚胎的體細胞中積累的重要分子機制。重要的是，這樣積累起來的PGL顆粒對保證脅迫條件下胚胎的成活力發揮重要作用。

圖5. PGL granule通過液-液分離相變組裝的模式圖

值得一提的是，本人課題組與清華大學的俞立老師課題組發現要被自噬降解的蛋白上的標記的多泛素鏈與選擇性自噬受體蛋白p62，通過液-液分離相變形成p62 body而被自噬體降解

（Cell Research 2018）

【9】

。這兩個研究可能只是冰山一角，液-液分離相變在自噬通路應該發揮著更普遍的作用。

圖為張宏研究員（右）與第一作者張剛明（左）。

張宏研究員簡介

張宏，1991年本科畢業於安徽大學，1994年獲北京大學醫學部碩士學位，2001年獲美國愛因斯坦醫學院博士學位，2001-2004年於哈佛醫學院馬薩諸塞總醫院癌症中心從事博士後研究，2004-2012年在北京生命科學研究所先後任研究員和高級研究員，2012年起受聘為中國科學院生物物理研究所研究員、博士生導師。現為生物大分子國家重點實驗室副主任、中國生物物理學會秘書長和國際細胞聯合體副主席。他主要從事多細胞生物中自噬作用的機理和調控機制研究，在Cell、Nature Cell Biology、Molecular Cell、Autophagy等學術期刊上發表多篇論文。獲「萬人計劃」領軍人才、談家楨生命科學創新獎、國家傑出青年科學基金、霍華德·休斯醫學研究所國際青年科學家獎和Lilly亞洲傑出科研成就獎。任Autophagy雜誌的副主編，eLife雜誌的審稿編委會成員，以及The Journal of Cell Biology、Cell Death and Differentiation、EMBO reports、Journal of Cell Science和JBC等雜誌的編委會成員。

參考文獻

1. Brangwynne, C. P., Eckmann, C. R., Courson, D. S., Rybarska, A., Hoege, C., Gharakhani, J., ... & Hyman, A. A. (2009). Germline P granules are liquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation.

Science

, 324(5935), 1729-1732.

2. Li, P., Banjade, S., Cheng, H. C., Kim, S., Chen, B., Guo, L., ... & Michael Rosen(2012). Phase transitions in the assembly of multivalent signalling proteins.

Nature

, 483(7389), 336.

3. Kato, M., Han, T. W., Xie, S., Shi, K., Du, X., Wu, L. C., ... & Steven McKnight (2012). Cell-free formation of RNA granules: low complexity sequence domains form dynamic fibers within hydrogels.

Cell

, 149(4), 753-767.

4. Delarue, M., Brittingham, G. P., Pfeffer, S., Surovtsev, I. V., Pinglay, S., Kennedy, K. J., ... & Chung, J. K. (2018). mTORC1 Controls Phase Separation and the Biophysical Properties of the Cytoplasm by Tuning Crowding.

Cell

.

5. Zhang, Y.X., Yan, L.B., Zhou, Z., Yang, P.G., Tian E, Zhang, K., Zhao, Y., Li, Z.P., Song, B., Han, J.H., Miao, L., and

Zhang, H.

(2009) SEPA-1 mediates the specific recognition and degradation of P granule components by autophagy in C. elegans.

Cell

136, 308-321.

6. Tian, Y., Li, Z.P., Hu, W.Q., Ren, H.Y., Tian, E, Zhao, Y., Lu, Q., Huang, X.X., Yang, P.G., Li, X., Wang, X.C., Kovács, A.L.,

Yu, L.

and

Zhang, H.

(2010) C. elegans screen identifies autophagy genes specific to multicellular organisms.

Cell

141, 1042-1055.

7. Li, S.H., Yang, P.G., Tian, E, and

Zhang, H.

(2013) Arginine methylation modulates autophagic degradation of PGL granules in C. elegans.

Molecular Cell

52, 421-433.

8. Saha, S., Weber, C. A., Nousch, M., Adame-Arana, O., Hoege, C., Hein, M. Y., ... & Pozniakovski, A. (2016). Polar positioning of phase-separated liquid compartments in cells regulated by an mRNA competition mechanism.

Cell

, 166(6), 1572-1584.

9 Sun, D., Wu, R., Zheng, J.,

Li, P.

, &

Yu, L.

(2018). Polyubiquitin chain-induced p62 phase separation drives autophagic cargo segregation.

Cell research

, 1.

BioArt，一心

關注生命科學，只為

分享更多有種、有趣、有料的信息。

關注請長按上方二維碼。投稿、合作、轉載授權事宜請聯繫微信ID：

fullbellies

 或郵箱：

sinobioart@bioart.com.cn

推薦閱讀：