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揭示脂滴形成的早期过程及内质网-脂滴的互作机制

2019.4.10
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  脂滴(lipid droplet)是细胞中储存脂类和能量的一种重要细胞器。脂滴具有独特的结构,由中性脂组成的内核及包裹其外的单层磷脂组成。脂滴表面分布着多种蛋白,以调控脂类的储存、代谢及脂滴运动。脂滴的生成过程包括:首先在内质网磷脂双分子层之间合成中性脂,形成类似眼睛的结构,然后中性脂不断累积并最终从内质网上分离成为成熟的脂滴。相对于研究较多的成熟脂滴的结构和功能,人们对脂滴生成的早期动态过程知之甚少。成熟后的脂滴与内质网存在着广泛的互作,但其中的机制仍然研究有限。

  细胞自噬(autophagy)是一种由溶酶体介导的、在真核细胞中高度保守的降解途径。自噬过程中会形成一种双层膜泡状结构,被称为自噬小体(autophagosome)。内质网对于自噬小体的形成起着关键作用。自噬被诱导后,内质网上的PI磷酸化产生局部富集PI(3)P的亚结构域,即Ω小体,进而招募下游ATG蛋白最终形成自噬小体。内质网定位蛋白DFCP1被广泛地用作Ω小体的标记分子。但DFCP1的敲低并不引起明显的自噬缺陷。人们对DFCP1在细胞内的具体功能尚不清楚。

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  2019年4月9日,中国科学院生物物理研究所张宏组和李栋组合作在Cell Reports杂志上以封面文章形式发表了The ER-Localized Protein DFCP1 Modulates ER-Lipid Droplet Contact Formation。该研究揭示了内质网定位蛋白DFCP1可以定位于脂滴上,以DFCP1为标记观察到了脂滴形成的早期过程。DFCP1还参与调节内质网-脂滴的互作。

  研究人员发现,在油酸诱导脂滴生成后,DFCP1会定位在脂滴的表面,这种定位依赖于DFCP1的ER定位结构域和参与PI(3)P结合的FYVE结构域。研究人员继续探索DFCP1是如何从内质网转运到脂滴上。李栋课题组新开发了一种超高分辨活细胞成像技术(GI-SIM)(Cell突破丨李栋组开发新型超分辨成像技术揭示细胞器互作新现象——专家解读点评)。GI-SIM与旋转盘共聚焦显微镜或商用SIM系统相比,有更高 (95 nm和40帧/秒) 的分辨率和更大(达到〜1 μm)的照射深度,使观察更细微的亚细胞器的动态变化成为可能。利用GI-SIM,研究人员观察到油酸处理十五分钟时,DFCP1在内质网上形成小点(小于100 nm),此斑点不能被其他已知的早期脂滴标记物标记。这些DFCP1阳性点在内质网上大部分是可逆的,并且可以沿内质网运动并融合,最终少部分在内质网网状交叉位点形成脂滴,并能被其他脂滴标志物标记。这些DFCP1阳性点的形成依赖于甘油三酯的合成,说明这些DFCP1在内质网上形成的小点是新生脂滴结构。DFCP1标记的新生脂滴结构的可逆性以及融合和生长受BSCL2的调控。BSCL2是内质网跨膜蛋白,作用于内质网-脂滴互作位点,以调节脂滴生长,其突变导致人类Berardinelli-Seip先天性脂肪代谢障碍II症。

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  在发现DFCP1标记新生脂滴结构后,研究人员进一步研究其在脂滴上的功能。结果发现在DFCP1敲低的细胞中,脂滴变小,内质网-脂滴的互作减弱;而过表达DFCP1的细胞中,脂滴增大,内质网-脂滴的互作增强。先前的研究表明,在脂滴诱导后,Rab18定位于脂滴并诱导脂滴与内质网紧密并置。Rab18与NAG-RINT-ZW10(NRZ)复合物结合以调节前脂肪细胞中的内质网-脂滴互作【2】。研究人员进一步通过体外和体内实验证明DFCP1是Rab18的效应蛋白,并与Rab18-ZW10复合体相互作用介导内质网-脂滴膜互作的形成,从而调节脂滴的大小。

  综上所述,该研究发现了DFCP1是目前已知最早的脂滴标记蛋白,通过超高分辨活细胞成像技术记录了DFCP1标记的新生脂滴结构在内质网上形成,运动,融合并最终生长为成熟脂滴,揭示了脂滴的早期形成机制。在成熟脂滴上,DFCP1作为Rab18的效应因子介导了内质网-脂滴的互作。

  参考文献

  1. Axe, E.L., et al. (2008). Autophagosome formation from membrane compartments enriched in phosphatidylinositol 3-phosphate and dynamically connected to the endoplasmic reticulum. J. Cell Biol. 182, 685-701.

  2. Xu, D., et al. (2018). Rab18 promotes lipid droplet (LD) growth by tethering the ER to LDs through SNARE and NRZ interactions. J. Cell Biol. 217, 975-995.


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