湖南大学谭蔚泓院士团队刘巧玲课题组:最新JACS

湖南大学谭蔚泓院士团队刘巧玲课题组:最新JACS

▲第一作者:刘学娇

通讯作者:刘巧玲教授、方晓红教授、Stephen Mann教授、谭蔚泓教授

通讯单位:湖南大学、中国科学院化学研究所、英国Bristol University、中科院肿瘤与基础医学研究所

论文DOI:10.1021/jacs.1c03627

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全文速览

核酸诱导蛋白相分离在细胞的生物学功能调控、疾病的发生发展过程中发挥重要作用。特定核酸二级结构和序列可以在特定时空层面调节蛋白相分离行为,进而调控细胞的生物过程,然而,核酸结构和序列对蛋白相分离的影响尚不清楚。最近,湖南大学谭蔚泓院士团队刘巧玲课题组与中国科学院化学研究所方晓红教授课题组以及英国Bristol University Stephen Mann教授课题组合作,利用细胞膜囊泡作为人工细胞模型研究核酸的结构和序列特征对蛋白相分离的影响,发现特定结构的G-四链体可以诱导SERBP1蛋白发生动态可逆的相分离,该研究为深入了解核酸调控蛋白相分离作用机制提供新思路。

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背景介绍

核酸诱导蛋白相分离在基因表达调控、信号转导等生物学过程中发挥重要作用。在多价弱相互作用的驱动下,核酸参与蛋白相分离并形成多种生物分子凝聚体(Biomolecular condensate)。近年来,越来越多的研究表明核酸的序列特征可影响蛋白间的相互作用和生物分子凝聚体的形成及功能。基于核酸分子多样化的结构和序列特点,特定核酸结构和序列特征可以调节蛋白相分离进而调控细胞的生物学功能。然而,核酸二级结构和序列对核酸诱导蛋白相分离的影响仍不清楚。以活细胞作为研究体系,细胞内复杂的组分和生物分子间相互作用不利于研究核酸特定结构特征对蛋白相分离的影响。采用体外纯化的蛋白在溶液中研究核酸诱导蛋白相分离具有组分明确、体系简单的优势,但缺乏类似细胞的环境。因此,亟需开发一种细胞仿生体系用于研究核酸诱导蛋白相分离的作用规律和性质特点。

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本文亮点

① 以细胞膜囊泡作为细胞模型研究核酸诱导蛋白相分离为生物分子相分离研究提供一种全新的研究体系。
② 特定结构的G-四链体诱导SERBP1蛋白发生可逆的相分离,为研究核酸诱导蛋白相分离提供新思路。

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图文解析

A. 细胞膜囊泡选择性富集富含G碱基的单链DNA(ssDNA)
在课题组前期工作中,作者发现ssDNA可以穿透细胞膜,进入细胞膜囊泡内部。该研究中,作者系统探讨了不同序列的ssDNA在细胞膜囊泡中的富集情况,发现细胞膜囊泡选择性富集具有平行结构的G-四链体(Figure 1)。

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▲Figure 1. Uptake and capture of oligonucleotides in GMVs.

在此基础上,研究人员利用Pull-down蛋白鉴定和质谱分析发现细胞膜囊泡内的G-四链体结合蛋白SERBP1是导致具有平行结构的G-四链体在细胞膜囊泡中富集的原因。利用蛋白质分析软件,研究人员预测SERBP1蛋白为一种新的相分离蛋白(Figure 2)。

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▲Figure 2. Western blot and protein analysis of SERBP1 binding with G-rich oligonucleotides.

B.利用细胞膜囊泡作为人工细胞模型研究核酸诱导蛋白相分离
利用来源于细胞的细胞膜囊泡作为人工细胞模型,作者采用荧光染料(CY5)标记的G-四链体和带有GFP标签的SERBP1研究细胞膜囊泡内核酸诱导蛋白相分离情况。利用这种细胞膜囊泡,作者采用荧光染料(CY5)标记的G-四链体和带有GFP标签的SERBP1研究细胞膜囊泡内核酸诱导蛋白相分离情况。荧光共定位实验结果显示,G-四链体进入细胞膜囊泡后与SERBP1蛋白结合并形成生物分子凝聚体(Figure 3)。这种温度依赖的G-四链体诱导蛋白相分离具有可逆、可循环的特点,预示G-四链体可能存在调控细胞生物学功能的新途径。

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▲Figure 3. Microphase liquid−liquid separation of SERBP1/nucleic acid condensate inside GMVs derived from HepG2 cells.

进一步,作者研究了细胞膜囊泡内G-四链体诱导SERBP1蛋白相分离的性质特点(Figure 4)。利用荧光染料标记的G-四链体,作者观察在不同温度(4 oC、37 oC)下细胞膜囊泡内簇状荧光的分布情况,发现G-四链体诱导SERBP1相分离具有温度依赖的特点。在37 oC时,细胞膜囊泡内有明显的簇状聚集现象。4 oC时,簇状聚集消失,细胞膜囊泡内荧光均匀分布。这种温度依赖的G-四链体诱导蛋白相分离具有可逆、可循环的特点,预示G-四链体具有调节细胞生物功能的潜在途径。

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▲Figure 4. Reversible microphase separation of SERBP1/nucleic acids condensate inside the GMVs derived from HepG2 cells.

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总结与展望

核酸诱导蛋白相分离在细胞生物功能调控中发挥重要作用。利用细胞膜囊泡作为人工细胞模型,作者探讨核酸二级结构和序列对核酸诱导蛋白相分离的影响。研究发现具有平行结构的G-四链体选择性诱导G-四链体结合蛋白SERBP1发生相分离,且这种相分离具有温度依赖的可逆调控特性。该工作为核酸诱导蛋白相分离研究提供新的研究体系,为探讨特定核酸二级结构和序列调控蛋白相分离提供新的研究思路,有助于揭示活细胞中核酸诱导蛋白相分离相关生物功能调控的作用机制。

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