Science：液-液相分离驱动皮肤屏障的形成

来源：逻辑神经科学

撰文︱王思珍

液-液相分离（liquid-liquid phase separation）已成为组装无膜生物分子浓缩物（condensates）的一种动力【1】。这样的浓缩物包括核仁、受体信号复合物、生殖系颗粒和应激颗粒等【2-3】。相分离的相关研究也揭示了一系列意想不到生物过程，包括基因组结构，RNA加工，有丝分裂，细胞粘附，以及植物中二氧化碳固定【4-5】。

然而，细胞相分离的研究仍然具有挑战性。通常依赖于截短型的蛋白质突变体、非生理缓冲中的重组系统，以及能够改变蛋白质相分离行为的标记融合体的过表达或敲除【6-7】。 

在哺乳动物的表皮中，自我更新的内层（基底层）祖细胞能够为非分裂角质形成细胞的向上流动提供动力，这些细胞分层形成皮肤的表面屏障，排斥病原体并保留体液（图1 A）【8】。在早期的棘层中，终末分化的细胞获有一个含有K1和K10角蛋白丝束（K1- and K10-containing keratin filament bundles）的丰富网络【9】。 

当角化细胞（keratinocytes）进入颗粒层时，它们获得具有特殊功能的无膜蛋白沉积（“角化透明蛋白颗粒（keratohyalin granules）”，简称KGs）【10】。当这些细胞接近表面层时，整体转录则突然停止，且KGs和细胞器都消失了，并形成了扁平的死细胞幽灵层——鳞屑（squames），将皮肤密封起来，作为与环境紧密隔离的屏障【11】。

美国霍华德·休斯医学研究所&洛克菲勒大学的Elaine Fuchs教授团队长期致力于皮肤干细胞在衰老和癌变过程中形成和修复组织的分子机制的研究。在先前的工作中，在全蛋白质组中寻找候选相转移蛋白时，研究团队发现了KGs的主要组成部分聚丝蛋白（filaggrin）【12】，有趣的是，聚丝蛋白的截断突变与人类皮肤屏障疾病有关（图1 B）。在这里，研究者进一步想知道液-液相分离是否可能是哺乳动物表皮分化和人类疾病的根源。 

在于2020年3月13日以Liquid-liquid phase separation drives skin barrier formation为题在线发表在Science上的研究文章中，Elaine Fuchs教授团队（Felipe Garcia Quiroz博士后研究员为本文第一作者）探索了这种可能性。结果表明，当分化特异性蛋白在角质形成细胞中积累时，它们会经历一种醋油式（vinegar-in-oil type）的相分离，这种聚丝蛋白的相分离动力学会伴随着越来越多的粘性KGs集中于细胞质。当接触到酸性皮肤表面时，环境敏感的液体状液滴会产生反应并消散，从而导致鳞屑的形成。这些动态在人类皮肤屏障疾病中发挥作用，突变会导致不适应的液相转变。

本文中，首先，Quiroz等人发现，KGs是一种类似液体的凝聚物（浓缩物），它以聚丝蛋白的形式在表皮角质形成细胞的细胞质中进行液-液相分离。疾病相关的聚丝蛋白突变会特异性干扰或消除KGs相分离驱动组装的临界浓度。 

紧接着，通过开发敏感、无害的相位差传感器，进而可视化小鼠内源性的液-液相分离过程，研究发现，伴随着越来越多的粘性KGs，聚丝蛋白的相分离动力学集中于细胞质，而粘性KGs会物理性地影响细胞器的完整性。 

此外，研究人员观察到，KGs的液相结合受到周围成束的分化特异性角蛋白丝的限制。深入研究后，Quiroz等人发现，当表皮细胞接近酸性皮肤表面时，相变蛋白会经历一个快速的、自然发生的pH值变化和动态反应，继而导致其液体状的KGs耗散，从而驱动鳞屑的形成。 

环境调节的液相动力学驱动皮肤屏障的形成 （A）利用相分离传感器，研究者发现当基底前驱体向皮肤表面流动时，它们表现出液相分离驱动的类液滴组装；（B）在晚颗粒细胞中，这些液滴聚集在细胞质中，随着细胞(1)染色质的压紧而溶解；（C）在皮肤表面附近，细胞内pH值的突然变化调节了液相动力学，从而驱动了鳞屑的形成。 （来源: Quiroz et al., Science 367, March 13 2020 ）

结论而言，通过液-液相分离的生物物理透镜，这项研究为皮肤屏障的形成之谜提供了新的线索。研究者为设计和实施皮肤相分离传感器提出了一种通用的策略，以非破坏性的方式在生物系统中研究内源性液-液相分离动力学。 

同时，通过设计聚丝蛋白、聚丝蛋白疾病相关的变异以及应用相分离传感器，Quiroz等人发现了KGs是一种丰富的、类似液体的无膜细胞器。在终末分化过程中，聚丝家族蛋白首先会消耗KG组装驱动的相分离，然后进行KG拆卸。它们的液体状和pH敏感性的特异性使KGs能够感应和响应皮肤表面的自然环境梯度，并驱动屏障形成的适应过程。 

而且，液相浓缩物通常被视为反应中心，在该处特异性组分被富集以进行加工或储存在细胞内。类似地，KGs可以存储相应的组分，这些组分可能是蛋白水解酶和核酸酶；并且这些组分以pH依赖的方式被暂时释放，以促进终末分化的自毁阶段。 

此外，作者还为从浓缩物聚集中产生的生物物理动力学提供了证据，被角蛋白丝束装束点缀的KGs大量聚集在角化细胞的细胞质中，并在物理学上使得邻近的细胞器发生变形。这种聚集受到环境刺激的影响，环境刺激会引发KGs的解体、去核，以及与屏障形成相关的可能其他细胞事件。总的来说，液体状KGs的动力学，通过皮肤暴露在不同的环境中而发挥作用，使表皮作为一种由相分离驱动的组织暴露出来。 

最后，Quiroz等人发现丝状蛋白截断突变和KGs的丢失存在于不适应的相分离动力学，这解释了为什么相关的皮肤屏障疾病会因极端环境而恶化。这些发现为靶向治疗皮肤障碍性疾病提供了可能性。 

原文链接

http://dx.doi.org/10.1126/science.aax9554 

参考文献

【1】 C. P. Brangwynne et al., Germline P granules are liquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation. Science 324, 1729–1732 (2009).

【2】M. Feric et al., Coexisting liquid phases underlie nucleolar subcompartments. Cell 165, 1686–1697 (2016).

【3】X. Su et al., Phase separation of signaling molecules promotes T cell receptor signal transduction. Science 352, 595–599 (2016)

【4】B. R. Sabari et al., Coactivator condensation at superenhancers links phase separation and gene control. Science 361, eaar3958 (2018).

【5】W.-K. Cho et al., Mediator and RNA polymerase II clusters associate in transcription-dependent condensates. Science 361, 412–415 (2018). 

【6】H. B. Schmidt, A. Barreau, R. Rohatgi, Phase separationdeficient TDP43 remains functional in splicing. Nat. Commun. 10, 4890 (2019).

【7】S. Alberti, A. Gladfelter, T. Mittag, Considerations and Challenges in Studying Liquid-Liquid Phase Separation and Biomolecular Condensates. Cell 176, 419–434 (2019). 

【8】D. Bracha et al., Mapping Local and Global Liquid Phase Behavior in Living Cells Using Photo-Oligomerizable Seeds. Cell 175, 1467–1480.e13 (2018).

【9】J. A. Segre, Epidermal barrier formation and recovery in skin disorders. J. Clin. Invest. 116, 1150–1158 (2006).

【10】B. A. Dale, K. A. Resing, R. B. Presland, in The Keratinocyte Handbook, I. Leigh, E. B. Lane, F. M. Watt, Eds. (Cambridge Univ. Press, 1994), chap. 17, pp. 323–350.

【11】22. F. G. Quiroz, A. Chilkoti, Sequence heuristics to encode phase behaviour in intrinsically disordered protein polymers. Nat. Mater. 14, 1164–1171 (2015).

【12】C. N. Palmer et al., Common loss-of-function variants of the epidermal barrier protein filaggrin are a major predisposing factor for atopic dermatitis. Nat. Genet. 38, 441–446 (2006).

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