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张宏课题组发现TFEB凝聚体的物理性质调控自噬-溶酶体通路活性

日期:2022-03-18  浏览次数:487

来源:大屯路15号

2022年3月16日,中科院生物物理研究所张宏课题组在 Journal of Cell Biology 杂志在线发表题为"Material properties of phase-separated TFEB condensates regulate the autophagy-lysosome pathway"的研究论文。该研究通过发展生物物理交叉的技术方法,定量分析了转录因子TFEB通过相分离形成的凝聚体的物理性质,发现该凝聚体利用刚性的界面膜控制自身融合特性和凝聚体大小,并基于TFEB凝聚体的物理性质开发干预自噬-溶酶体通路活性的新策略。

经典的生物相分离研究把融合特性作为判断生物相分离凝聚体物质状态的标准之一:碰撞后融合被判定为液态;不融合则被判定为凝胶态或固态。但在生理条件下,大量生物凝聚体以小尺寸液滴分散在细胞中,液滴间的碰撞融合并不常见。比如近些年的研究揭示转录因子通过相分离形成的凝聚体参与转录,虽然转录因子凝聚体具有液滴的特征,但它们之间却几乎观察不到融合的现象。这与以往的观点,在生理条件下,"生物相分离液滴碰撞后必然融合"明显相悖。

在这项研究中,研究者分析了控制自噬-溶酶体通路基因表达的转录因子TFEB。发现在体内和体外形成的TFEB液态凝聚体表现出碰撞后极难融合的特征,整体维持在一个很小的尺寸范围内。为揭示该现象的物理机制,研究者合作开发/改进了一系列物理/化学领域的技术方法,定量测定了包括TFEB液滴在内的多个蛋白质凝聚体的物理性质,发现蛋白质凝聚体的内部和表面呈现不同的物理特性,这表明蛋白质液滴具有与内部不同的界面区域(界面膜)。TFEB液滴内部呈现液态的粘度特征,而在表面则呈现类似水凝胶的粘度特征。TFEB中的一系列正电氨基酸控制液滴的融合特性,更容易融合的TFEB突变体液滴表面的粘度大幅下降。结合另外几个定量测定的物理性质,研究者认为TFEB液滴具有一个高强度的界面膜。这些结果与微乳剂系统中的界面膜模型吻合,即融合过程涉及界面膜破裂和内部混合两个过程,界面膜的强度决定液滴碰撞后融合的难易程度。

生物凝聚体的物理性质与其生物学功能存在密切关系。上述工作表明生物凝聚体的融合特性是由多个物理性质共同决定的。研究者利用能间接反应TFEB液滴物理性质的融合特性为表型,从6000多个小分子化合物库中筛选出两个促进TFEB液滴融合的小分子Ro-3306和Vanillic acid。张宏课题组前期已发表工作表明细胞核中的TFEB凝聚体与转录密切相关。研究者进而在细胞系中验证了Ro-3306和Vanillic acid的生物学效应。经Ro-3306和Vanillic acid处理的细胞中,TFEB转录活性大幅升高,下游的自噬-溶酶体通路也被显著激活。

综上,该研究表明生物相分离形成的凝聚体具有与内部区域不完全相同的表面区域--界面膜。界面膜的强度决定了液滴的融合特性和尺寸,人们可以根据凝聚体的这一物理性质对相关生物学通路进行人工干预。 


图 生物凝聚体的物理性质决定其融合特性和生物学功能


中科院生物物理研究所张宏研究员为论文通讯作者,王峥副研究员为论文第一作者。中科院生物物理研究所的娄继忠课题组、清华大学的何彦课题组和中科院力学所的关东石课题组参与了该研究并做出重要贡献。该课题获得科技部、国家自然科学基金委、北京市基金委和中科院前沿局的资助。

文章链接 :https://doi.org/10.1083/jcb.202112024