无膜颗粒与生物大分子液-液相分离:形成机制、生物功能及数据资源

为了保证细胞内各种生化反应和调控过程的有序进行,细胞内存在一系列隔室将不同的生物分子分隔开来。这其中除了有膜细胞器,还存在一类无膜细胞器或无膜颗粒,使得具有特定功能的蛋白质和核酸在不同无膜颗粒中聚集,保证相应生化过程在特定时空条件下高效进行。大量的研究证据表明,液-液相分离(liquid-liquid phase separation, LLPS)是介导胞内无膜颗粒凝聚形成的重要机制。本文首先围绕相分离介绍了胞内无膜颗粒的形成机制;进一步总结部分胞内无膜颗粒的功能,以及相分离在其行使生理功能时发挥的重要作用;最后总结相分离数据库及其所常采信的实验方法,期望通过对胞内无膜颗粒形成机制、生物功能及相分离数据资源的总结,为初入领域的科研工作者提供参考,并推进高通量方法在相关领域研究的应用与发展。     

液-液相分离在细胞信号调控过程中的作用机制

近年来,液-液相分离(简称相分离)因其独特的功能与组织性,在细胞生物学研究中发展迅速。细胞内部分蛋白质及核酸(多为RNA)等生物大分子通过由多种弱多价相互作用及构象熵共同介导的相变(phase transition)形成无膜细胞器(membraneless organelles, MLOs)。这些无膜结构具有明显的流体性质,包括其圆形外表、可浸润、滴落和彼此融合,并具有动态的内部成分交换。在体内形成的无膜细胞器,广泛参与到包括细胞膜信号传导、膜结合蛋白质组装、染色质重塑、RNA代谢、突触传递、活跃转录中心形成、有丝分裂结构形成,以及蛋白质病理性转变等多种重要的细胞内信号调控过程。本文从相分离的研究背景,相分离发生的分子机制,正常相分离过程参与的多种细胞生理活动,异常相分离与神经性疾病及癌症发生的关系等方面,阐述了生物大分子的相分离在细胞信号调控过程中的普遍性及重要作用,并对研究相分离的实验技术和常用的相分离数据库进行了介绍。生物大分子相分离行为的发现,为重新理解众多结构及细胞生物学现象提供了全新的角度,生物大分子相分离可能作为一种新的生物学过程,帮助重新认识众多信号通路的调控方式,也有望为相关疾病的治疗提供新的方向。     

生物大分子相分离在疾病中的作用

细胞为了维持正常的生理活动进化出膜系统,使各种各样的活动能在特定的空间、时间上高效有序的发生。膜系统参与物质运输、信号传递、能量代谢等过程已被广泛了解,但与无膜区室组装和功能相关的分子细节尚未研究透彻。生物大分子通过相分离在细胞内形成多种无膜区室,如核仁、中心体、应激颗粒等,这些无膜区室被统称为生物分子凝聚体。作为一种细胞生化反应的聚集分离机制,相分离在自然界中普遍存在,并广泛参与信号转导、基因转录调控等多种重要的生理过程。而异常的相分离与许多人类疾病密切相关,如神经退行性疾病、癌症及传染性疾病等。通过介绍相分离形成的细胞结构及功能、相分离发生的机制,进一步阐述相分离在疾病发生发展中的作用。     

生物大分子“液–液相分离”调控染色质三维空间结构和功能

生物大分子的相分离聚集(简称相分离)是驱动细胞内无膜细胞器形成的主要机制,参与众多生物学过程并和多种人类疾病密切相关,如神经退行性疾病等。近年来,研究人员围绕相分离现象的分子机制和生物学功能,发现了相分离与信号传导、染色质结构、基因表达、转录调控等一系列生物学过程存在紧密关联,为理解细胞命运决定和疾病发生提供了新的视角,为疾病治疗和新药研发开辟了新的可能途径。本文在回顾了相分离研究的发展过程、相分离现象在生物学中的应用,以及相分离与疾病的关系的基础上,重点分析了近年来相分离与染色质结构关联方面的研究突破,包括相分离如何感知并重塑染色质结构、超级增强子如何通过相分离调节基因表达、共转录激活因子如何通过相分离参与基因表达调控等,以期为进一步理解相分离与染色质空间结构的关系提供参考。     

生物大分子相分离在植物中的研究进展

细胞中存在种类繁多的无膜细胞器,在感知环境信号,基因表达调控,RNA加工等过程中发挥了重要的作用,而生物大分子相分离被证明是无膜细胞器形成的主要方式。文章介绍了生物大分子相分离的概念与特征,总结了有关相分离在植物对环境信号响应中的研究进展,并对相分离在植物中的生物学功能进行了分类,以期解析相分离在植物生长发育和逆境适应中的作用机理,揭示植物无膜细胞器的本质与功能。     

植物基因转译产物的定位与加工

植物基因转译产物的定位与加工朱祯（中国科学院遗传研究所）目前,在真核细胞中至少已发现了三十多种细胞器（Ｏｒｇａｎｅｌｌｅｓ）或亚细胞结构,它们通常是由脂质膜分隔开来的小室（Ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔｓ）所组成。细胞中每一种细胞器都含有一组特定的蛋白质分子。这些蛋白质分子在很大程度上决定了细胞器的结构和功能。细胞通过这种分室作用（Ｃｏｍｐａｒｔｍｅｔａｔｉｏｎ）对其自身的生理及生化过程进行有效地调节,使上述过程有一定的时空范围内有序地进行。     

活细胞内亚细胞结构蛋白质组学研究新技术——几种邻近标记策略的应用及比较

真核细胞内多种无膜及有膜细胞器为各种生物学过程的发生提供场所.被膜细胞器通过它们之间的膜接触位点所进行的信息交流和物质交换是维持生命活动所必需的.绘制活细胞中细胞器或膜接触位点等处的蛋白质组图谱,将有助于解析这些部位的生物学功能及作用机制,并为研究细胞器相互作用提供基础.但由于无膜细胞器或膜接触位点很难分离纯化,传统的生化方法难以系统解析其中的蛋白质组.最近报道的几种基于酶类的蛋白质邻近标记技术,则为系统分析上述空间受限的蛋白质组这一难题提供了有效的解决方案.通过将能催化产生活性自由基(最常见的是生物素及其衍生物的自由基)的酶连接到目标蛋白上,可对其邻近的蛋白质组进行共价标记,从而使后者的分离和鉴定成为可能,并可以运用于活细胞中的动态标记.我们在此综述了几种最新的邻近标记策略的原理及应用,并对它们的优势与局限性进行了比较,以期为细胞器互作的蛋白质组学研究提供参考.     

多聚谷氨酰胺延伸蛋白募集细胞内转录因子及对基因转录调控的影响

多聚谷氨酰胺（polyglutamine,PolyQ）疾病是由特定基因序列中CAG三核苷酸的不稳定重复扩增所引发的一类神经退行性疾病。至今已发现9种类型的PolyQ疾病,其中多数疾病的致病蛋白质在转录调控中发挥着重要的病理作用。PolyQ蛋白中谷氨酰胺的异常重复延伸会引发蛋白质错误折叠并在细胞中积聚形成包涵体。积聚的蛋白质可通过自身结构域、泛素修饰和RNA等介导的相互作用,有效地募集细胞内的转录因子、泛素接头或受体蛋白,以及分子伴侣等组分到包涵体中。这些组分在细胞中的可溶性比例减少,使得机体内的转录调控系统功能受损,造成转录失调从而诱发疾病。因此,研究异常延伸的PolyQ蛋白对细胞内转录因子及其他组分的募集作用,可在分子水平上解释神经退行性疾病的发病机制,从而为临床应用提供潜在的预防和治疗方法。     

隧道纳米管：神经系统中的新型细胞间交流结构

隧道纳米管(tunneling nanotubes,TNTs)是基于细胞骨架尤其是纤维状肌动蛋白形成的细胞间管道样结构,其功能主要是介导广泛的细胞间物质交换,包括各种信号分子、RNA、蛋白质、细胞器甚至病原体,在生理和病理过程中都发挥重要作用.各种细胞类型中均发现有TNTs的形成,尤其在神经元细胞和神经胶质细胞中得到广泛关注.神经元细胞间或神经元细胞与星形胶质细胞间形成的TNTs,能够介导电耦合,还参与神经退行性疾病相关致病蛋白质的转移和/或传播,进而在神经系统发育和疾病进展中发挥作用.本文简要总结了在神经系统细胞间形成TNTs的研究进展,包括调节其形成的分子机制、功能和在神经系统疾病治疗中的潜在优势.     

脂滴与其他细胞器互作调控脂稳态的分子机制

随着影像技术的发展,越来越多的研究表明细胞器之间存在广泛的直接相互作用,其主要功能是参与物质运输、细胞器新生与生长、细胞器分裂与融合等.细胞器间的互作主要由定位于这些膜器表面的蛋白质分子相互作用介导,磷脂也在其中发挥作用.脂滴作为储存中性脂的细胞器,是细胞内脂质代谢的中心,同时对机体脂稳态的维持起着至关重要的作用.从脂...     

生物膜曲度形成机制的探讨

细胞及其内部的细胞器均是由生物膜包被的。很多膜结构的特异形状是由膜的不同曲度引起的。诱导膜曲度的因子非常多,但往往都使用相似的原理。本文总结了生物膜曲度形成的几种主要机制,包括脂质成分组成的影响、细胞骨架的牵引、蛋白质的疏水性插入,以及蛋白形成脚手架维持曲度等。另外,有些蛋白质虽然本身不诱导曲度,却可以感应膜的曲度。这些曲度的形成机制在细胞生命活动中经常会交互综合产生作用,以确保细胞器塑形、囊泡发生及细胞自噬等重要过程的正常进行。     

SUMO化和磷酸化的相互作用和共同修饰

翻译后修饰如磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化和SUMO化调节不同蛋白质的不同功能。磷酸化可能是最常见的修饰之一,蛋白质磷酸化通过一系列的激酶和磷酸酶催化,从而改变蛋白质功能。SUMO修饰是一种类泛素化修饰。SUMO修饰包括活化、结合、连接和解离,涉及多个酶多个步骤的催化过程。SUMO化可调节蛋白质相互作用、亚细胞定位、蛋白质稳定性和转录活性。关于磷酸化和SUMO化的蛋白质翻译后修饰,已有广泛研究报道。但很少关注于磷酸化和SUMO化之间的相互作用,以及它们对蛋白质的共同修饰。本文综述了蛋白质磷酸化和SUMO化之间的相互作用,以及共同修饰对细胞生理和肿瘤的影响。     

SUMO化和磷酸化的相互作用与共同修饰

翻译后修饰如磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化和SUMO化调节不同蛋白质的不同功能。磷酸化可能是最常见的修饰之一,蛋白质磷酸化通过一系列的激酶和磷酸酶催化,从而改变蛋白质功能。SUMO修饰是一种类泛素化修饰。SUMO修饰包括活化、结合、连接和解离,涉及多个酶多个步骤的催化过程。SUMO化可调节蛋白质相互作用、亚细胞定位、蛋白质稳定性和转录活性。关于磷酸化和SUMO化的蛋白质翻译后修饰,已有广泛研究报道。但很少关注于磷酸化和SUMO化之间的相互作用,以及它们对蛋白质的共同修饰。本文综述了蛋白质磷酸化和SUMO化之间的相互作用,以及共同修饰对细胞生理和肿瘤的影响。     

多纤毛细胞纤毛精确组装的调控机制

高等动物体内气管、脑室管膜及输卵管等上皮组织具有一类富含运动纤毛的多纤毛细胞,通过其细胞表面运动纤毛的周期性摆动可以清洁气管、驱动脑脊液流动和受精卵运动。运动纤毛发生或功能的异常则可导致气管炎、脑积水、不孕不育等多种遗传疾病。然而,在多纤毛细胞分化过程中关于如何精确组装运动性纤毛复杂结构的分子机制仍不清楚。该研究运用蛋白组学、超高分辨率显微成像和电镜等多种技术,发现多纤毛细胞特有的亚细胞结构–纤维状颗粒物是由中心体周围基质蛋白Pcm1相分离形成的具有液体特征的无膜细胞器,不仅参与调控多纤毛细胞摇篮体的组装和空间分布,而且在其多孔状结构中大量富集了特定的基体和纤毛的结构蛋白质,并精确调控这些组分在运动纤毛发生的不同阶段定位到基体和纤毛中,阐明了纤维状颗粒物作为组织者精确调控运动纤毛组装的分子机制。     

细胞自噬与神经退行性疾病

细胞自噬是一条依赖溶酶体降解的途径,它对于清除细胞质内蛋白质聚集体、损伤的细胞器,维持细胞内稳态等具有重要的生理功能。神经退行性疾病是一类由于突变蛋白质在神经细胞中堆积而引起的神经系统失调症。细胞自噬是清除胞质内蛋白质聚集体的重要途径,利用提高细胞自噬能力对神经退行性疾病进行治疗具有光明前景。简要介绍了细胞自噬的机制及细胞自噬与神经退行性疾病之间的关系。     

泛素化及相关疾病研究进展

泛素是一种普遍存在于真核细胞中的小分子量蛋白质.E1-E2-E3三步级联反应形成的泛素化修饰,是细胞中最常见、多样化和多功能的蛋白质翻译后修饰,参与蛋白质水解、信号传导等各种生命活动.本文综述了近3年来泛素领域的研究进展,并着重于论述泛素化系统在肿瘤、DNA损伤应答以及神经退行性疾病中的作用.     

蛋白质赖氨酸残基的琥珀酰化修饰

蛋白质的琥珀酰化修饰是一种普遍存在于真核生物和原核生物中的翻译后修饰。修饰的蛋白质遍及细胞膜、细胞质基质、各种细胞器及细胞核等细胞的各个部分,它们参与了细胞内包括糖代谢、三羧酸循环和脂肪酸代谢等各种代谢反应,与生命体的活动息息相关。本文综述了琥珀酰化蛋白质活性变化、修饰位点周围氨基酸的特异性及空间结构的分析、亚细胞分布情况、琥珀酰化与乙酰化之间的相互作用及碳源和生长阶段对蛋白质琥珀酰化水平的影响等内容,以期为后续蛋白质的琥珀酰化科研提供一定的参考。     

纤毛通路

发现 初级纤毛是位于细胞表面微小的绒毛状细胞器，它们在视觉和味觉方面发挥重要功能。纤毛膜的组成不同于其他细胞膜，其中的蛋白质（胞裂蛋白）形成环状以防止自身扩散。但纤毛的胞质蛋白如何正确定位至特定位置的机制目前仍未知。     

瞬时受体电位M8离子通道功能及其翻译后修饰调节机制

瞬时受体电位M8(transient receptor potential melastatin 8, TRPM8)又称冷及薄荷醇感受器,位于细胞膜或细胞器膜上,是瞬时受体电位(transient receptor potential, TRP)通道超家族中的一员。TRPM8通道分布广泛,是一个非选择性阳离子通道,可作为冷热传感器和冷痛传感器进行信号传导,参与众多生物过程的调节,在维持细胞内外稳态、控制离子进出细胞方面具有重要作用。研究发现,蛋白质翻译后修饰(post-translational modification, PTM)通过调控TRPM8通道的功能,进而影响多种疾病的发生和发展。因此,探究TRPM8的翻译后修饰的过程,对深入了解TRPM8的功能及调控机制是十分必要的。目前,已报道的TRPM8翻译后修饰包括磷酸化、泛素化和糖基化等,它们能够调控蛋白质的相互作用和改变TRPM8离子通道的活性,从而调控细胞增殖、迁移和凋亡。值得注意的是,TRPM8的表达与前列腺癌、膀胱癌和乳腺癌等多种癌症密切相关。本文将从TRPM8离子通道的结构出发,系统地阐述TRPM8蛋白翻译后修饰和激动剂、拮抗剂以及一些蛋白质对TRPM8通道活性的调节,同时总结TRPM8在前列腺癌、膀胱癌和乳腺癌中的新进展,为癌症治疗提供新方向和新思路。