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PNAS | 分子伴侣Hsp40通过相分离调控无膜细胞器动态组装分子机制

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BioArt2020-11-25 20:15

责编 | 酶美

蛋白质的相分离在多种执行重要生物学功能的无膜细胞器动态组装中起到关键作用【1】。在疾病条件下,蛋白质相分离调控的紊乱会直接导致蛋白的液-固相转化和不可逆的蛋白质病聚集。该过程与多种神经退行性疾病如肌萎缩侧索硬化症(ALS)密切相关【2】。然而,目前对于蛋白相分离稳态在不同无膜细胞器中是如何被精密调控的研究还比较匮乏。

近日,上海交通大学Bio-X研究院李丹与上海有机化学研究所生物与化学交叉中心刘聪课题组合作,发现了一类维持无膜细胞器中蛋白稳态的关键分子伴侣Hsp40。其自身具有较强的相分离能力,并能够与无膜细胞器中的蛋白发生协同相分离,在维持蛋白质高度动态的相分离中起到关键的作用。相关工作于2020年11月23日发表于PNAS:Hsp40 proteins phase separate to chaperone the assembly and maintenance of membraneless organelles。

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分子伴侣(热休克蛋白)广泛参与细胞内蛋白质内稳态的维持。研究表明不同的热休克家族蛋白存在于多种无膜细胞器中,如应激颗粒 (SGs) 中鉴定出Hsp40、Hsp70、Hsp90等【3】。然而,对于分子伴侣在无膜细胞器动态组装中的作用仍然缺乏研究。今年早些时候,刘聪/李丹课题组合作揭示了一类小热休克蛋白Hsp27在调控蛋白质液-液相分离(LLPS)和液-固相转变中起到重要作用(BioArt 2020-3-31)。合作课题组在本工作中进一步发现调控蛋白相分离的另一类重要分子伴侣Hsp40。该研究首次发现分子伴侣自身具有相分离能力,并能通过自身相分离参与到不同无膜细胞器的组装以及稳态维持中。本工作对于分子伴侣在无膜细胞器稳态的维持,以及蛋白分相调控紊乱与疾病关系的研究都具有重要的意义。

Hsp40 家族蛋白种类繁多,可分为三类亚型:I型、II型、III型,这三类亚型均包含参与Hsp70 ATP水解的J domain。除了J domain,I型与II型蛋白的氨基端 (NTD) 还具有甘氨酸/苯丙氨酸富集的柔性区域——G/F 区域,在羧基端 (CTD) 还具有底物结合结构域。本研究发现,Hsp40 的I型与II型蛋白成员— Hdj2与Hdj1在体外均具备较强的相分离能力,并且在细胞内存在于不同的无膜细胞器中。其中 Hdj2定位于细胞核内的核仁中,而Hdj1则定位于泛素化富集的核小体中。在压力刺激下两者均会参与到细胞质SGs的形成中 (Fig. 1)。进一步机理研究发现,柔性G/F 区域中的多个苯丙氨酸及精氨酸残基对Hsp40的分相及其参与SGs的组装至关重要。G/F区域在不同亚型以及不同种属的Hsp40蛋白中广泛存在,进一步实验验证含有G/F区域的酵母Hsp40蛋白Sis1与Ydj1均具有较强的相分离能力。因此,相分离可能为Hsp40家族不同成员所共有的属性。

Fig.1 A. Hdj1与Hdj2定位于不同的无膜细胞器;B. Hdj1与Hdj2在不同条件下发生相分离。

Hsp40 家族蛋白在调控细胞蛋白质稳态中发挥重要的作用,其功能缺失与多种疾病发病密切相关。Hsp40基因突变在 ALS、帕金森症 (PD) 等多种神经退行性疾病中被发现【4-5】。本研究发现Hdj1能够与ALS重要致病蛋白FUS发生协同相分离,稳定FUS在高度动态的液-液相分离状态,并抑制FUS的致病性液-固相转化,从而维持细胞内的蛋白内稳态 (Fig.2)。进一步机理研究发现Hdj1通过其NTD中的精氨酸以及苯丙氨酸残基分别介导与FUS-LC (1-163aa) 和FUS-RGG(371-526aa) 的相互作用及协同共分相。进一步,通过其CTD的底物结合结构域抑制液-液相分离状态中的FUS进一步进行液-固相转变。需要特别指出的是,不同的分子伴侣在无膜细胞器动态组装和解离的多个不同阶段中很可能存在不同的作用。对于多个不同分子伴侣协同或者分段调控无膜细胞器的机制研究将是本领域接下来的一个重点研究方向。

Fig.2 Hsp40 参与无膜细胞器形成及其稳态维持示意图

https://www.pnas.org/content/early/2020/11/19/2002437117

制版人:嘉

参考文献

1. S. F. Banani, H. O. Lee, A. A. Hyman, M. K. Rosen, Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry. Nat Rev Mol Cell Biol 18, 285-298 (2017).

2. A. Molliex et al., Phase separation by low complexity domains promotes stress granule assembly and drives pathological fibrillization. Cell 163, 123-133 (2015).

3. S. Jain et al., ATPase-Modulated Stress Granules Contain a Diverse Proteome and Substructure. Cell164, 487-498 (2016).

4. E. Sanchez et al., Identification of a Large DNAJB2 Deletion in a Family with Spinal Muscular Atrophy and Parkinsonism. Hum Mutat 37, 1180-1189 (2016)

5. S. M. K. Farhan et al., Exome sequencing in amyotrophic lateral sclerosis implicates a novel gene, DNAJC7, encoding a heat-shock protein. Nature Neuroscience 22, 1966-1974 (2019).

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