细胞亚器互作综述解读~~~The secret conversations inside cells

细胞亚器互作综述解读 The secret conversations inside cells

2019年5月11日发表在Nature上的一篇关于细胞亚器互作的文章The secret conversations inside cells，讲述了细胞亚器互作的最初发现之旅。原文链接 https://www.nature.com/articles/d41586-019-00792-9

最初发现细胞器互作的是Jean Vance,30年前，Veans 在大鼠的肝脏细胞里分离线粒体，在分离的过程中，多次发现线粒体组分中始终存在内质网成分，起初的时候，他认为这些成分是由于他自己分离技术不好的原因，他继续增加和改善分离方法，但是还是没能拿到理想中纯净的线粒体，内质网成分始终像口香糖一样，残留在线粒体的成分中，此时Veans意识到，这种现象并不是偶然发生的，这里面可能存在一些新的细胞器互作的机制，这可能是一个新的生物学发现，虽然在那个时候Veans有这种想法，但是他观察到的这种现象，虽然大多数的科学家已经观察到了，但是他们并没有认真思考这件事，并且认为这种与线粒体共存的成分最多只是细胞污染等。

尽管如此，在1990年，Veans还是发表了第一篇关于线粒体和内质网互作的文章，虽然当时这篇文章并没有引起太多人的关注，但是它是目前揭示细胞亚器互作的开山文章，这篇文章当时提到，线粒体和内质网互作接触的位点，可能起到脂质合成的作用，并且此位点通过桥联两个细胞器参与脂质的运输1。这一问题，从新的角度，揭示长期以来困惑人们的问题，即线粒体如何进行脂质运输。

尽管如此，Veans当时还是经常外出，给别人演讲展示他的工作。大约直到30年后，他的研究工作才被现代的科学家们所认可，他们才意识到，30年前Veans提到的细胞互作现象，在细胞内部无处不在。而且他们发现，几乎每种类型的细胞器都会与其他类型的细胞器进行密切的crosstalk，探索这些联系也使生物学家发现了蛋白质，这些蛋白质负责将细胞器连接在一起并维持一个健康的细胞环境。

对于细胞亚器互作的观点的更新，使得人们开始重新思考细胞生物学，因此寻求新的观察细胞亚器的工具也应该应运而生。与此相应的是，哈佛大学Jennifer Lippincott-Schwartz认为在细胞器的内部存在一个完整的内部交流，所以他们的团队致力于用视频录像来研究观察细胞器之间的互作2。

由于成像技术的进步，研究人员可以看到两个细胞亚器之间可以通过只有10-30nm的近距离进行接触。而这个距离对于最小的病毒来说，都很难通过。

细胞亚器互作之初见

首次记录到细胞器之间的接触在20世纪50年代，比Veans发现细胞亚器互作早40年，法国的显微镜学家拍下了线粒体与大鼠细胞内质网密切相关的照片，但当时的生物学家认为它们没有功能。其他一些科学家在20世纪60年代到80年代之间工作，他们看到了一些诱人的迹象，ER能够与其他的细胞器包括，高尔基体(细胞的中央分类和运输中心），以及细胞质膜等互作，这些现象被认为是细胞内部的额外的细胞交流和规则。

然而，提到为什么当初这些生物学现象(即细胞亚器互作）被忽略的原因是，1在细胞之间的物质运输主要是通过囊泡进行的，第二点是，这些研究囊泡生物学功能的细胞生物学家很少与研究钙离子信号传递的生物学家进行交流，因此这两个愿意印在很大的程度行阻滞了细胞亚器互作等深入研究。

这也是当初Veans的研究工作被忽视的背景，然鹅在近期细胞亚器互作的深入研究，将Veans的研究成果推向了新的高峰

在了解到细胞亚器之间存在互作之后，研究者们进一步提出新的疑问，在这些细胞亚器互作的过程中，存在哪些特异的蛋白质参与这些过程?

因此科学家们进一步聚焦参与细胞亚器互作的蛋白质。这也是研究人员开始精确定位细胞器之间形成接触点的特殊蛋白质的时候了，了解并鉴定这些细胞质，意味着细胞生物学家可以人为地建立接触点或摧毁它们，并以此深入研究它们在物质交换等过程中的功能。

2009年，由英国牛津大学细胞器生物学家Beno_t Kornmann领导的一个研究小组发现了一组由四种蛋白质组成的蛋白质复合物，它们共同构成了酵母细胞内质网和线粒体之间的纽带。删除任何一种蛋白质都会导致细胞之间的互作被消除，并且进一步导致脂肪交换缺陷和细胞生长减慢3。以色列雷霍夫特魏兹曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）从事科尔曼研究的酵母细胞生物学家玛雅·舒尔迪纳（Maya Schuldiner）说“这是第一个迹象，表明你可以主动出去寻找这些接触位点的复合物，从而操纵这些实体，”。

那么在探讨了维持细胞亚器互作的相关生物学结构的基础即蛋白质互作后，==继此进一步引发科学家们进一步深入思考的问题是如何证明细胞亚器之间的互作。==这是因为多个相互tether的蛋白经常把两个细胞器连接在一起，就像用一个jenga块组成的塔一样，去掉这些蛋白质中的一个可能不会导致互作结构的的坍塌。康奈尔大学（cornell university）的酵母生物学家斯科特•埃默（scott Emr）在研究内质网和质膜之间的接触点时遇到了这种情况。他的小组最终确定了六个与互作相关的蛋白结构，其中任何一个都能正确地将2个细胞亚器固定在一起。他的团队只有通过消除所有六种蛋白质才能破坏这种结合4。

阐明细胞亚器之间的互作网络，也使得寻找这些桥连2个细胞亚器的蛋白质复合物变得困难起来。起始的时候，研究者们仅仅意识到内质网广泛的参与细胞亚器的互作，但是在随后的研究工作中有研究进一步的记录了其他的细胞器也参与这种互作。并且科学家们意识到，在细胞中，当细胞的某种物质运输的途径被阻断后，它会很快找到其他的替代途径。

“I had no idea everything was so integrated and beautiful.”

这是2014年由德国奥斯纳布吕克大学舒尔迪纳和克里斯蒂安·恩格曼领导的团队独立发现的。在去掉酵母内质网和线粒体之间的通常系带后，两组都发现5,6脂肪仍然可以通过候补通道（液泡）在两个细胞器之间以相似的方式运动。这个充满液体的囊是细胞储存食物和其他营养物质的储物柜。

其他研究揭示了更复杂的细胞亚器的互作。加州大学戴维斯分校的线粒体生物学家Jodi Nunnari和她当时的同事细胞生物学家Laura Lackner将7鉴定出了一个超级互作结构，至少包含两条系链和三个细胞器——内质网、线粒体和质膜。现在在伊利诺伊州埃文斯顿的西北大学工作的拉克纳说：“看起来这真的是细胞创造的某种功能中枢。”“它带来了另一层空间组织。

FUNCTION JUNCTION

舒尔迪纳说，所有这些接触的发现让更多的研究人员对细胞器相互作用的研究感到兴奋。她指出，这让科学家们意识到“所有这些相互作用也必须有额外的功能”。

最早揭示的功能之一是货物转运。在Veans最初的发现之后，实验表明，细胞器的接触几乎就像两艘船之间交换货物的舷梯一样，这些位点传递胆固醇、油性蜡和其他脂肪分子，否则这些脂肪分子会在水汪汪的细胞质海中形成珠子，像咸肉油脂堵住排水管一样堵住细胞。

钙、过氧化氢和其他水溶性化合物也能够流过这些通道，这有助于细胞聚集这些分子进行特定反应。例如，舒尔迪纳和她的同事们去年显示，线粒体有时与细胞的毒物清除中心（称为过氧化物酶体）配对，从而浓缩脂肪酸分子并将其分解成燃料8。

Beyond serving as trading posts, contact sites also play a crucial part in regulating the division of organelles. This became clear in 2011, when a team led by Gia Voeltz, a cell biologist at the University of Colorado Boulder, imaged yeast cells in sections to create high-resolution, 3D models of ER–mitochondria pairings9.

除了作为物质的转运为位点外，细胞器互作位点在调控细胞器的融合和分裂方面也起着关键的作用。2011年，科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）细胞生物学家吉亚·沃尔茨（Gia Voeltz）领导的一个研究小组对酵母细胞进行了切片成像，以创建高分辨率、3D的ER-线粒体配对模型，这一点就变得清晰起来9。沃尔茨说，ER“看起来像是一只手夹在线粒体周围挤压线粒体”。随着时间的推移，线粒体在这些部位收缩并分裂成两部分。

几年后，沃尔茨展示了一个类似的过程，也解释了细胞器互作帮助内体（endosomes）分裂，这种细胞器有助于分子货物的分类和运输10。最初，她说，大多数科学家怀疑ER-内体接触甚至存在或是重要的。沃尔茨说：“现在这一点已经被公认为是显而易见的了”，她认为这些接触的视频有助于赢得怀疑者的支持。面对这些视频，她说，天啊，顽固分子很快就会转变信仰。“人们会说，‘哇，太神奇了。我不知道所有的东西都是如此的完整和美丽。’“

沃尔茨用传统的电子显微镜拍摄了她最详细的视频。在过去的几年里，更先进的成像技术使细胞的所有接触点都变得更加明显。在2017，Lippincott Schwartz，与珍妮莉亚的同事，显微镜学家Eric Betzig，使用超分辨率光学显微镜捕捉复杂的相互作用的六种细胞器之间的千变万化的彩色3D视频：ER，线粒体，高尔基复合体，过氧化物酶体，溶酶体和脂肪沉积称为脂滴2。一周后，由康涅狄格州纽黑文市Yale大学的神经学家Pietro de Camilli领导的一个研究小组发表了黑白片，显示ER在小鼠神经元11中诱捕线粒体和其他细胞器。

内质网（黄色）与各种细胞器进行物质交换

在酵母细胞中绘制所有的细胞亚器互作的位点

作为对视频材料的补充，schuldiner和weizmann的细胞生物学家einat zalckvar领导了一个团队，该团队系统地绘制了酵母细胞中所有的接触位点，并展示了一种发现它们的系链分子的方法。在去年5月份的报道中，科学家们使用了一种分裂的荧光探针，这种探针就像一个连两半的心型锁一样，结合在一起形成一个整体。当两个细胞器靠近时，联合探针就会发光。

在未发表的后续研究中，研究人员发现了数十种定位于接触部位的蛋白质：一些用作系链，而另一些只是锚定在接触区。舒尔迪纳说：“大多数蛋白质还没有被研究过，”他暗示这些蛋白质可能还有其他未被发现的作用。

Yale细胞生物学家Karin Reinisch，de Camilli及其合作者在2017年的一项研究中，强调了一种先前未知的功能，对2型糖尿病的治疗有意义12。研究小组展示了一种参与胰岛素分泌的蛋白质，作为大鼠胰腺细胞内质网和质膜之间的纽带。通过协调细胞器之间钙和脂质的传递，这种蛋白质有助于触发胰岛素释放的爆发，而胰岛素释放是防止血糖水平过高所必需的。

负面作用

Gökhan 是哈佛大学陈曾熙公共卫生学院（Harvard T. H. Chan School of Public Health）的代谢疾病研究员，他将内质网和线粒体之间的关系比作是动感的弗朗明哥舞蹈。Hotamışlıgil认为13，就像舞者一样，细胞器接触并分开，然后再次接触，调一会情，然后一触即分。但是在患病的肝细胞中，两个细胞器会缠绕在一起，破坏舞蹈的节奏。对此，他表示，这看起来并不优雅。Hotamışlıgil已经证明，小鼠肝细胞中内质网和线粒体之间的过度接触与胰岛素抵抗、糖尿病和肥胖有关。弗朗明哥舞蹈慢了就毫无美感。同样，病理情况下，线粒体-内质网连接点的物质运输节奏比较缓慢。
随着研究人员对接触部位的更多蛋白质进行分类，越来越多的研究指出了细胞器互作与其它疾病的关联。例如，线粒体融合蛋白2是内质网-线粒体连接中负责钙转运的衔接蛋白之一，在腓骨肌萎缩症（Charcot-Marie-Tooth病，一种罕见的退行性神经疾病）患者中该基因经常发生突变。

VAPB是肌萎缩性侧索硬化遗传病的一种致病基因，其编码一种帮助将内质网锁定在几个细胞器上的蛋白质。研究人员在阿尔茨海默病患者中发现了另一种与疾病相关的连接点。纽约哥伦比亚大学（Columbia University）的细胞生物学家Estela Area Gómez和Eric Schon已经证明14，β-淀粉样蛋白前体蛋白的特定衍生物在受影响细胞的内质网表面积累。这种衍生物被称为C99，它触发了与附近线粒体的连接，从而使胆固醇运输失横。

Area Gómez以小鼠和人类细胞系为模型，发现了由C99过度接触而产生的独特代谢物模式。她正在探索这些代谢物的血液检测是否可以识别阿尔茨海默病的亚细胞体征。

随着证据表明连接点影响健康和疾病中的细胞功能，一些研究人员已经开始讨论对细胞运输进行从头研究的必要性。Schuldiner指出，一个细胞器不能孤立地运作。 Lippincott-Schwartz看到了细胞生物学的一个令人兴奋的未来：细胞器—细胞器通信和耦合领域将揭示真正的基本过程。但仍有技术细节需要解决。大多数研究都集中在内质网和其它细胞器之间的脂质或钙运输。现在的挑战是揭示在所有接触点上传输的所有信号。

随着越来越多的证据表明，接触位点在健康和疾病中都会影响细胞功能，一些研究人员已经开始讨论需要一种全新的细胞运输合成方法。Schuldiner指出：“细胞器不能单独发挥作用。而Lippincott Schwartz看到了细胞生物学令人兴奋的未来：“细胞器的这个领域——细胞器的交流和耦合将揭示真正的基本过程。“但仍有技术细节有待解决。大多数研究都集中在内质网和其他细胞器之间的脂质或钙运输。现在的挑战是发现所有接触点上传输的信号的整个图谱。

美国马里兰州贝塞斯达国家糖尿病和消化和肾脏疾病研究所（US National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases）的细胞生物学家Will Prinz指出，在某些方面，该领域有点太超前了。Prinz同意接触点是细胞生物学中一个重要的、几乎革命性的概念，但他认为有很多工作要做。对于细胞生物学，这真的是革命性的吗？他认为，现在还没到下定论的时候。

Voeltz则表示，至少有足够的证据表明，细胞器互作可以改变细胞生物学教科书。她举例，2015年最新修订的本科教科书中，关于细胞器和膜运输的描述还和20年前一样。

事实上，自1896年细胞学家Edmund Beecher Wilson将细胞器整齐地区分到各个细胞质区室后，教科书中关于细胞内部的描述就几乎没有变化。从内质网到高尔基体到液泡再到内体，教科书中每个细胞器仍然是孤立的，而不是作为动态互作的整体。Voeltz指出，真实细胞并不是这样的，我们最好能更新这张经典的细胞结构图。

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