Nature | “润湿作用”解释相分离液滴的自噬降解机制

　　撰文 | YQ

　　责编 | Qi

　　真核细胞中存在着大量的各种细胞器，包括膜包裹形成的细胞器：细胞核、内质网、线粒体、溶酶体等。细胞内还有另一类的无膜细胞器：stress granule、paraspeckle等。自Hyman和Brangwynne在2009年在Science杂志首次发表了线虫体内的p-granule颗粒是通过通过液-液相分离（liquid-liquid phase separation，LLPS）形成以来。大量的研究证明细胞内的一系列的无膜包裹的“颗粒”的本质大多都是相分离，包括但不限于：RNA-granule【1, 2】、Postsynaptic Densities【3】、核糖体【4】、Stress Granule【5】等。

　　相分离形成的 Droplets 可以在一定的条件下形成，在另一种条件下消失，但是这种droplets结构是否能够直接被细胞降解仍不清楚，目前已经有报道通过相分离形成的Stress granule以及PGL颗粒通过液-液相分离形成的droplets能够被autophagy途径直接降解【6, 7】，但是这一降解的机制仍不明确。

　　近日，来自Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology 的Roland L. Knorr课题组在Nature 杂志发表了题为 Wetting regulates autophagy of phase-separated compartments and the cytosol 的文章，从物理化学润湿作用（Wetting）的角度通过理论模拟，体外、体内实验验证，阐述了autophagy降解液-液相分离形成的droplets的物理化学机制。

　　之前的研究表明，p62识别目的蛋白上的多聚泛素化链，通过相分离的机制形成p62小体,进而介导自噬小体的形成，通过细胞自噬途径降解【8】。作者以这一经典的droplets的autophagy降解途径研究液-液相分离形成的droplets的降解机制。

　　作者首先对p62的相分离进行了验证，p62通过相分离形成趋于球形的droplets,并且这种droplets在两两相互接触后会发生融合，融合后在液滴表面张力的作用下，很快恢复球形的结构。LC3阳性的膜结构一般可以作为autophagosome 的marker，作者通过看LC3阳性的membrane是否会与p62形成的droplets具有共定位，是否能够将p62形成的droplets包裹起来来验证p62形成的droplets是否能够通过autophagy降解，并研究其机制。

　　作者发现LC3会在p62形成的droplets的表面形成明亮的puncta，进一步通过电镜等方式研究发现，LC3阳性的membrane会形成一个类似茎环的结构包裹p62形成的droplets。另外。作者发现，在droplets中的p62可以很好的在荧光漂白后恢复，但是被包裹在这个“茎环结构”中的p62的荧光漂白恢复能力大大降低。作者通过推测，这种茎环状结构是LC3阳性的membrane将droplets结构“切割”后形成的特殊结构，在这个过程中伴随着droplets的分裂，因此可以形象地解释为autophagosome将droplets 结构“切割”出一小部分，进而通过autophagy途径降解。

　　作者通过物理化学的润湿（Wetting）以及毛细管现象，对这一过程做了模拟，并在体外应用Giant unilamellar vesicles (GUVs) 体系进行了验证，这一理论可以很好地解释上面观察到的现象。作者发现，autophagosomal droplet sequestration 的驱动因素主要来源于Wetting作用以及“液滴”的表面张力等之间的平衡。

　　通过以上的理论，作者得出p62与LC3的结合的强弱会调控这个autophagy降解“droplets”的过程的结论。作者对p62的LC3-interacting region (LIR) 做了截断，作者发现与体外之前的研究结果一样，p62(ΔLIR)与p62 一样，能够形成droplets，并且能够与LC3阳性的membrane共定位，但是作者发现，p62(ΔLIR) 形成的droplets并不会被LC3阳性的membrane结构包裹起来，因此p62与LC3的相互作用对于p62形成的droplets被autophagy途径降解是必须的，这种相互作用可以理解为增加了autophagosome membrane与droplets之间的润湿作用。进而通过类似毛细管现象完成autophagosomal droplet sequestration。

　　综上，作者通过物理化学的角度对相分离形成的“液滴”的autophagy降解途径做了深入的研究，阐明了其中的物理化学机制，对后续的研究提供了非常好的物理化学模型，从新的角度阐述了相分离调控autophagy的机制。

　　原文链接：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-020-2992-3

　　制版人：Kira

　　参考文献

　　1. Han, T.W., et al., Cell-free formation of RNA granules: bound RNAs identify features and components of cellular assemblies. Cell, 2012. 149(4): p. 768-79.

　　2. Kato, M., et al., Cell-free formation of RNA granules: low complexity sequence domains form dynamic fibers within hydrogels. Cell, 2012. 149(4): p. 753-67.

　　3. Zeng, M., et al., Phase Transition in Postsynaptic Densities Underlies Formation of Synaptic Complexes and Synaptic Plasticity. Cell, 2016. 166(5): p. 1163-1175.e12.

　　4. Brangwynne, C.P., T.J. Mitchison, and A.A. Hyman, Active liquid-like behavior of nucleoli determines their size and shape in Xenopus laevis oocytes. Proc Natl Acad Sci U S A, 2011. 108(11): p. 4334-9.

　　5. Molliex, A., et al., Phase separation by low complexity domains promotes stress granule assembly and drives pathological fibrillization. Cell, 2015. 163(1): p. 123-33.

　　6. Buchan, J.R., et al., Eukaryotic stress granules are cleared by autophagy and Cdc48/VCP function. Cell, 2013. 153(7): p. 1461-74.

　　7. Zhang, G., et al., mTOR Regulates Phase Separation of PGL Granules to Modulate Their Autophagic Degradation. Cell, 2018. 174(6): p. 1492-1506.e22.

　　8. Sun, D., et al., Polyubiquitin chain-induced p62 phase separation drives autophagic cargo segregation. Cell Res, 2018. 28(4): p. 405-415.