Cell | 廖雅成博士等揭示RNA颗粒“挟持”溶酶体进行长程转运的新机制

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撰文 | 酶美

神经元细胞是极性细胞，它们有长长的轴突，众多囊泡、细胞器和生物大分子可沿着轴突进行双向运输。RNA分子和RNA结合蛋白可形成液液相分离的RNA颗粒（RNA granules）沿着轴突进行运输，蛋白质翻译可在轴突远端进行以保证。微管蛋白形成的纤丝和马达蛋白对RNA颗粒的运输是必须的，但是RNA颗粒没有膜包被，其具体运输机制完全不清楚。在众多神经退行性疾病中已发现了RNA结合蛋白、分子马达和微管系统的相关致病突变；特别在ALS（amyotrophic lateral sclerosis，肌萎缩侧索硬化）和FTD（frontotemporal dementia，额颞叶痴呆）疾病中，所鉴定的众多突变与RNA颗粒和它的转运相关。而另一类在ALS/FTD中发现的致病基因则是溶酶体相关的。目前尚不清楚RNA颗粒的调控和转运是如何和溶酶体的调控相联系。

2019年9月19日，美国HHMI Janelia研究院Jennifer Lippincott-Schwartz教授和NIH研究院Michael Ward教授合作（第一作者为廖雅成博士，毕业于中科院生化与细胞所宋保亮课题组，2015年“吴瑞奖学金”获得者）在Cell在线发表了的研究成果：RNA Granules Hitchhike on Lysosomes forLong-Distance Transport, Using Annexin A11 as a Molecular Tether。该项研究发现了Annexin A11蛋白可连接RNA颗粒和溶酶体膜；RNA颗粒通过“挟持”溶酶体进行长途的转运。

RNA颗粒没有膜包被，它如何能沿着微管系统的运输一直是个谜团。本文研究者想到了部分囊泡并没有通过细胞骨架系统进行直接运输，而是采取了“搭便车”，挟持其他的囊泡进行共同的转运。作者观察到G3BP1标记的RNA颗粒和LAMP-1标记的溶酶体有很好的共定位。通过APEX2近端标记，他们在神经元细胞中找到了和LAMP1蛋白有直接相互作用的系列蛋白，目标蛋白中富集了RNA颗粒结合蛋白，包括Annexin A11（ANXA11）。与之前G3BP1-APEX2质谱比较，找到了6个可能介导溶酶体和RNA颗粒联系的候选蛋白，其中ANXA11得分最高。

在ALS神经退行性疾病中已发现了ANXA11的相关突变。对ANXA11蛋白质性质的进一步分析和实验发现，其N端是一个低复杂度无秩序结构域可介导了ANXA11自身形成相分离，提示了ANXA11通过N端和RNA颗粒进行接触。而ANXA11蛋白C端含有多个Annexin repeats，可在钙离子存在的条件下和富含PI（3，5）P2的脂质体的结合。体外实验证明了ANXA11具备了同时和RNA颗粒、溶酶体结合的能力。

图1 ANXA11可自身形成相分离，并结合PI（3，5）P脂质体

接下来，作者在活体细胞内观察到了ANXA11和LAMP1标记的溶酶体紧密的共定位；而且ANXA11的C端结构域是必需的。在ALS病人中找到了一系列ANXA11的相关突变。作者下一步实验探索了ANXA11的ALS突变是否影响了其相变能力和是否影响了与溶酶体的结合。首先，体外的相变实验发现ALS突变增加了ANXA11蛋白形成液滴的速度，但是突变AXNA11蛋白形成的液滴难以回复。而体内相变实验也反映了突变的ANXA11蛋白难以从胶状回复成液体。总结来说，ALS突变的ANXA11蛋白可以很快形成相分离，但是失去了从胶状回复成液相的能力。而进一步观察RNA颗粒定位发现，突变的ANXA11蛋白难以和RNA颗粒形成稳定均一的相分离状态，和RNA颗粒的共定位比例显著降低。需要指出的是N端和C端的ANXA11突变均可影响蛋白的相变能力。

下一步实验，作者研究了突变的ANXA11蛋白是否影响了与溶酶体的结合和RNA颗粒的转运。在U2OS细胞中，突变的ANXA11蛋白可形成聚集状态；而C端突变的ANXA11蛋白难以定位到溶酶体（N端突变D40G则能定位于溶酶体）。

最后，作者检查了ANXA11，RNA颗粒和溶酶体三者在体内和体外的共定位与转运。细胞系，他们观察到G3BP1标记的RNA颗粒可以很好地和ANXA11结合，并且可见ANXA11蛋白-RNA颗粒和溶酶体的紧密接触。在体外重组结合实验中，结果显示在ANXA11蛋白和钙离子存在的条件下，含有RNA颗粒的stress 颗粒才能和PI3P的脂质体结合。体外培养的神经元细胞中，可见由三色荧光标记G3BP1-LAMP1-ANXA11沿着轴突的运输。

总结上述实验结果，作者发现了ALS相关致病基因Annexin A11的蛋白能有效地和RNA颗粒形成相分离；而Annexin A11蛋白负责将RNA颗粒和溶酶体链接在一起，从而和溶酶体进行共同转运。Annexin A11的ALS突变可破坏其和RNA颗粒形成稳定相分离；同时能影响和溶酶体的连接。

2019年1月，Cell发表了剑桥大学Christine E. Holt实验室的成果，他们研究向我们展示了在神经元细胞中RNA颗粒可以和RAB7标记的晚期内吞小体进行共转运并同时在此进行翻译成蛋白质，对维持线粒体的正常功能非常重要【1】。有趣的是在这篇美国研究论文中未见AXNA11-G3BP1形成的RNA颗粒和RAB7显著的共定位，这是否提示溶酶体的运输可能由别的GTPase介导？是否不同mRNA可形成不同的RNA颗粒，招募不同的蛋白进行动态组装和运输？

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.08.050

制版人：小娴子

参考文献

1. Cioni,J.-M., Lin, J.Q., Holtermann, A.V., Koppers, M., Jakobs, M.A.H., Azizi, A.,Turner-Bridger, B., Shigeoka, T., Franze, K., Harris, W.A., and Holt, C.E. (2019).Late Endosomes Act as mRNA Translation Platforms and Sustain Mitochondria inAxons. Cell 176, 56–72.e15.

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