Journal of Cell Biology | 傅静雁团队揭示中心体核心蛋白组分9轴对称的超高分辨模型
发布日期:2021-02-04 浏览次数:  信息来源:亚博yaboApp


  中心体是动物细胞内高度保守的细胞器,由两个互相垂直的中心粒(centriole)以及围绕在中心粒周围的外周物质(pericentriolar material,PCM)组成。中心体作为细胞内主要的微管组织中心,在细胞增殖过程中介导纺锤体的装配和染色体的分离。同时,其核心组分中心粒还能作为基体装配纤毛和鞭毛,对细胞运动与信号转导至关重要。中心体异常往往与肿瘤、小脑畸形以及纤毛病等多种人类疾病密切相关。


  中心体上集合了上百种蛋白,其分布直径约为几十到几百纳米,因此普通光学显微镜无法获得足够的分辨率来解析中心体上蛋白的装配模式。近年来,以三维结构光照明(Three-dimensional Structured Illumination Microscopy, 3D-SIM)为主的多种超高分辨显微技术的应用,使得中心体蛋白的解析有了突破性的进展,较为系统地描绘了中心体外周分布直径较大的蛋白的空间图谱。然而,针对中心体核心位置的蛋白依然缺乏有效的解析手段。这部分结构称为车轮结构(cartwheel),在水平方向上由约22 nm直径的中央环(central hub)和环上发射出的九个辐条(spoke)组成,通过针头(pinhead)连接中心粒的微管壁。在垂直方向上多个车轮结构叠加起来,形成中心体9轴对称结构的核心基础。

  2021年2月3日,亚博yaboApp傅静雁课题组在Journal of Cell Biology杂志上在线发表了题为Super resolution characterization of core centriole architecture的文章。该研究运用多种超高分辨显微技术,对位于中心体核心结构的蛋白进行时空解析,提出核心蛋白组装形成9轴对称中心体结构的模型。

研究人员首先运用受激发射损耗(STimulated Emission Depletion,STED)超高分辨显微技术实现对中心体蛋白在50 nm左右分辨率的观察,发现果蝇中心体蛋白Sas6、Cep135、Ana1/Cep295和Asl/Cep152均呈现延展的空间分布,依次相互衔接,由中心体最核心位置向外延伸至外周(图1),而Ana3和Rcd4蛋白则在空间上呈现较紧致的结构,位于中心体较核心位置。

图1. 50 nm左右分辨率下,果蝇中心体蛋白Sas6、Cep135、Ana1/Cep295和Asl/Cep152均呈现延展的空间分布,标尺:200 nm。


  在此基础上,研究人员将超微结构膨胀显微技术(Ultrastructure Expansion Microscopy, U-ExM)与3D-SIM超高显微技术联用,获得约25 nm的空间分辨率。研究发现以上6种蛋白均呈现9轴对称。其中,Cep135、Ana1/Cep295和Asl/Cep152蛋白沿着相同的轴向分布,并且从相邻两组二联体微管之间穿过向外延伸(图2),组成了车轮状结构的9轴骨架。Ana3和Rcd4蛋白的9轴对称结构则位于Cep135-Ana1-Asl形成的9轴骨架之间。通过上述研究,研究人员提出了中心体核心蛋白组装形成9轴对称结构的空间模型(图3)  

图2. 25 nm左右分辨率下,Ana1/Cep295与Asl/Cep152蛋白呈现相同的轴向分布(A),从相邻两组二联体微管之间穿过(B), Ana3蛋白的9轴对称结构位于Asl的对称结构之间,标尺:500 nm。


  此外,研究人员对两个较新发现的中心体核心蛋白Ana3和Rcd4进行功能研究,发现其在中心体装配通路中处于中游位置。Ana3在募集时间点上较Sas6靠后,但早于Rcd4与Cep135,后两者则顺序无法区分、招募时间非常相近。进而研究人员发现Ana3或Rcd4蛋白的缺失均能显著影响Cep135-Ana1-Asl蛋白复合物的募集。课题组前期的工作发现该复合物是新生中心粒转变为成熟中心粒的关键因子,使得新生中心粒获得复制下一代的能力(Fu et al., 2016, NCB)。因此,Ana3和Rcd4蛋白通过调控此复合体的募集从而调控中心体复制。

  综上,研究人员通过多种超高分辨显微技术的联合应用,解析了中心体核心蛋白9轴对称的高分辨空间信息,并对两个较新发现的因子进行深入的功能研究。
  亚博yaboApp傅静雁教授为该论文的通讯作者,亚博yaboApp博士研究生田原为该论文的第一作者,魏晨曦阎彧萱庞南方晓敏同学参与了部分研究工作。亚博yaboApp梁鑫研究员及何剑锋为该研究工作提供了数据分析的技术支持。

图3. 果蝇中心体核心蛋白的时空分布模式图。




论文链接:

https://rupress.org/jcb/article/220/4/e202005103/211748/Superresolution-characterization-of-core-centriole?searchresult=1











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