徐素宏课题组Developmental Cell发文揭示体内单细胞损伤后细胞膜修复的分子动态调控机制

来源 :基础医学系    发布时间 :2020-07-15    浏览次数 :958

2020714日,浙江大学基础医学院/附属二院徐素宏团队在内源性组织损伤修复和再生研究方面取得重要进展,在国际权威期刊Developmental Cell上发表研究论文Actin polymerization and ESCRT trigger recruitment of the fusogens Syntaxin-2 and EFF-1 to promote membrane repair in C. elegans。该研究发现了线虫皮肤细胞损伤后参与细胞膜修复的关键蛋白Syntaxin2EFF-1,并解析了这两个蛋白介导的体内单细胞损伤后细胞膜修复的潜在分子动态调控机制。

组织损伤后结构修复和功能重塑对于生命体的生存至关重要,涉及多种细胞和信号通路的协同激活以及有序的调控。对于很多组织而言,单细胞修复是组织修复和再生的基础,如骨骼肌、心肌以及神经系统的损伤修复等。

徐素宏课题组一直以秀丽线虫皮肤为模型,通过遗传学、转基因标记、快速活体显微成像、基因编辑等技术,研究在体环境下表皮细胞如何感知损伤释放信号调控创伤修复的分子细胞学机理。在过去的研究中,团队发现钙信号、线粒体活性氧能够快速应激损伤并通过激活下游RHO-1CDC-42调控肌动蛋白多聚化实现伤口愈合。近年来,团队也发现线粒体能够通过快速的片段化加速伤口愈合(Nature Communications 2020)。然而,在此过程中肌动蛋白的多聚化如何实现表皮细胞膜结构的重塑并不清楚。

线虫表皮是在发育过程中逐步融合形成的一个多核细胞,其本质上是一个巨大的单细胞,因此在表皮损伤后没有细胞迁移和增殖。表皮细胞损伤后,为了防止细胞内营养和体液的流失,伤口修复的过程必须快速启动并逐步实现细胞膜的重塑。该项研究发现在表皮细胞修复过程中,有两个关键的膜融合蛋白Syntaxin2EFF-1发挥重要功能。通过RNA sequencing团队发现表皮细胞损伤后这两个基因在转录水平上快速上调;其次,Syntaxin2EFF-1蛋白会逐步向伤口处有序富集;当这两个基因敲降后会显著影响细胞膜修复的进程并进而影响线虫的生存。这些结果表明Syntaxin2EFF-1是线虫表皮细胞膜修复所必需的。

研究人员进一步通过转基因标记、活体成像发现伤口愈合过程中肌动蛋白的多聚化是Syntaxin2EFF-1向伤口处富集所必须的。同时,转运必需内体分选复合体ESCRT Ⅲ也参与招募Syntaxin2EFF-1修复复合体。在时间顺序上,ESCRT IIISyntaxin2EFF-1分别一步步向伤口处富集,帮助胞内囊泡向细胞膜伤口处转运实现细胞膜的修复。研究人员还通过生化、体内split-GFP等实验发现Syntaxin2EFF-1存在相互作用,推测这两个蛋白可能形成一个细胞膜修复复合体。Syntaxin2的功能区在细胞内,而EFF-1的功能区则在细胞外。有意思的是,Syntaxin2N端会和EFF-1的胞内C端互作,可能负责招募EFF-1蛋白在伤口处的富集。由此,研究团队提出了Syntaxin2EFF-1修复破损细胞膜的模型:Syntaxin2EFF-1actinESCRT的帮助下形成细胞膜修复复合体,分别介导细胞膜内侧和外侧的修复,确保膜结构的完整性。

该研究利用线虫表皮为模型,通过遗传学、快速活体显微成像、基因编辑和内源性标记等技术,首次在活体动物体内尝试解析单细胞损伤的内源性调控机制,发现了关键蛋白,为今后通过遗传学筛选参与调控细胞膜损伤修复的关键基因奠定了基础,同时也为研究复杂环境下研究细胞损伤内源性修复和再生机制提供了可能。在将来该领域的研究中,则需要更多而巧妙地利用活体动物,对细胞膜修复机制的了解则会获得更多视野和思维上的拓展。通过对单细胞损伤修复和再生的研究,也可以加深我们对组织损伤修复和再生过程中细胞命运决定机制的认识,并为皮肤创伤修复、神经元损伤再生、肌肉损伤再生、胎盘损伤以及子宫内膜修复等领域提供理论借鉴。

该项研究工作由浙大基础医学院徐素宏研究组完成,得到了武汉大学周宇教授团队在RNA sequencing数据分析上的大力支持。徐素宏实验室博士研究生孟曦男和杨庆先为本文共同第一作者。本项目的研究获得了国家自然科学基金委、浙江大学百人计划启动基金和科技部重点研发项目的支持。

原文链接:https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(20)30506-2