Cell丨张宏组揭示mTOR调控相变以及自噬性降解的机制——李丕龙解读

BioArt按

在线虫中有一种通常被称为P颗粒(P granules)的物质，是线虫性腺中细胞核周围与RNA作用的蛋白质组分，能够发生“相变”，处于动态变化中，类似于水中的油滴可以相互碰撞、融合，是当前相变研究的一个热点。2009年，德国马普所Anthony A. Hyman实验室率先在Science上报道了P颗粒相分离的的研究成果【1】，该研究成果在相分离领域具有里程碑意义。2012年，德克萨斯西南医学中心Michael Rosen实验室和Steven McKnight实验室各自独立发表论文在试管中再现了“相分离”过程，是相变领域的突破性研究成果【2,3】。从2015年起，相变领域开始井喷式发展，2018年上升到了一个新的研究热潮，BioArt也陆续报道了该领域的成果（李丕龙特评丨生物大分子的“相变”——简谈近期系列“相变”研究成果；Science亮点丨超级增强子通过相分离调控基因表达；Nature丨厦大/UCB周强组揭示相分离对基因转录调控的分子机制；Cell亮点丨mTORC1通过调节拥挤来控制相分离和细胞质的生物物理性质；Cell丨张明杰组破解突触的建立与可塑性调节的机制——温文玉解读；复旦温文玉组揭示蛋白相变调控细胞命运决定因子定位的分子机制）。前不久，虽然Cell发表了有关于mTORC1调节拥挤控制细胞内环境的相分离过程的报道【4】，但是这并不意味着mTORC1调控相变的形式是单一的。刚刚在线的来自中科院生物物理所张宏课题组发表在Cell上的这项工作，则是以线虫中的P颗粒为研究对象，把mTORC1对PGL-1和PGL-3的调控以及此前几乎所有相关发现统一在一个共同的框架下—液-液分离相变（liquid-liquid phase separation ，LLPS），具有重要的意义！有鉴于此，BioArt也特别邀请到了清华大学生科院较早从事相分离研究的李丕龙研究员对该工作进行深度解读，以飨读者！

解读丨李丕龙（清华大学生命科学学院研究员）

责编丨迦   溆

张宏老师课题组以秀丽线虫作为模式动物，鉴定了一系列多细胞生物特异的自噬新基因并阐明其作用机制，同时建立了线虫发育过程中自噬活性调控机制的模型。他们发现在线虫胚胎发育的过程中，有许多蛋白聚合体是被自噬作用选择性地降解，包括了特异存在于生殖细胞中的P颗粒（P granules）。举几个例子，他们克隆了SEPA-1，一个介导P颗粒被自噬系统选择性降解的关键受体因子（Cell，2009）【5】；他们与清华大学俞立课题组合作鉴定了一个线虫特异的scaffolding蛋白EPG-2，通过与SEPA-1和LGG-1(线虫的Atg8同源蛋白)互作，对P颗粒被自噬系统选择性降解起关键作用（Cell，2010）【6】；之后，他们又发现P颗粒蛋白PGL-1和PGL-3的精氨酸甲基化调控两者被自噬系统选择性降解（Molecular Cell，2013）【7】，等等。

最近张宏课题组又有一篇文章被Cell接受，刚刚online。在我认为，这篇文章把张lab在本领域的贡献提升到了一个新的高度。首先，这篇文章发现在胁迫（stress）条件下， mTORC1磷酸化PGL-1和PGL-3从而达到抑制其被自噬系统选择性降解。更重要的是该文章把mTORC1的对PGL-1和PGL-3（PGL-1和PGL-3是P颗粒的组分）调控以及此前几乎所有相关发现统一在一个共同的框架下--液-液分离相变。这个框架无疑会继续对未来该领域的进一步的发现提供理论依据。

具体来说，该文章有如下的一些重要发现：

1）PGL-1和PGL-3都能够单独发生液-液分离相变（图1A,B）（2016年，Anthony A. Hyman实验室在Cell上曾发表论文报道了mRNA促进了PGL-3的相变，而RNA结合蛋白MEX-5则能够抑制这一过程【8】），两者共存协同促进彼此的相变能力（图1C），SEPA-1通过结合PGL-3而促进PGL-1/-3发生相变的潜能（图1E）。这个体系相变发生的推动力和其它已经报道的发生相变的生化体系的推动力一样，都是多价互作介导的。相变的结果也是形成蛋白高度浓缩的液态相；

图1. PGL-1和PGL-3的液-液分离相变

2）PGL-1和PGL-3的RGG domain的精氨酸能被EPG-11（PRMT1的同源蛋白）甲基化【7】。甲基化减弱PGL-1/PGL-3及SEPA-1/PGL-3/PGL-1等体系相变的能力（图2）。但是这个结果如何和EPG-11突变体中SEPA-1/PGL-3/PGL-1被自噬降解减弱需要进一步思考求证；

图2. 在有精氨酸甲基转移酶EPG-11的情况下，加入甲基化供体SAM对相变形成的影响

3）EPG-2结合在SEPA-1/PGL-3/-1液滴的表面（图3），调控其大小及物理性质，使之流动性减弱，逐渐变成水凝胶状态。在此条件下，由相变形成的PGL颗粒更容易被脂膜包被，形成自噬体（autophagosome），从而被降解；

图3. EPG-2结合在SEPA-1/PGL-3/-1液滴的表面

4）在热胁迫（stress）条件下，PGL颗粒在胚胎的体细胞中积累（图4）。用后者的消失作为readout，作者们筛到三个PGL-1的点突变的突变体。这些突变体形成的PGL颗粒更接近水凝胶而更容易被自噬作用选择性降解。所以这些突变体动物在热胁迫条件下PGL颗粒在胚胎的体细胞中积累的现象消失；

图4. PGL颗粒在胚胎的体细胞中积累

5）在热胁迫条件下，mTORC1磷酸化PGL-1/PGL-3，促进其相变的能力，由此产生的液滴由于其物理特性及组成的不同，而不易被自噬作用选择性降解（图5）。这应该是在热胁迫条件下，PGL颗粒在胚胎的体细胞中积累的重要分子机制。重要的是，这样积累起来的PGL颗粒对保证胁迫条件下胚胎的成活力发挥重要作用。

图5. PGL granule通过液-液分离相变组装的模式图

值得一提的是，本人课题组与清华大学的俞立老师课题组发现要被自噬降解的蛋白上的标记的多泛素链与选择性自噬受体蛋白p62，通过液-液分离相变形成p62 body而被自噬体降解（Cell Research 2018）【9】。这两个研究可能只是冰山一角，液-液分离相变在自噬通路应该发挥着更普遍的作用。

图为张宏研究员（右）与第一作者张刚明（左）。

张宏研究员简介

张宏，1991年本科毕业于安徽大学，1994年获北京大学医学部硕士学位，2001年获美国爱因斯坦医学院博士学位，2001-2004年于哈佛医学院马萨诸塞总医院癌症中心从事博士后研究，2004-2012年在北京生命科学研究所先后任研究员和高级研究员，2012年起受聘为中国科学院生物物理研究所研究员、博士生导师。现为生物大分子国家重点实验室副主任、中国生物物理学会秘书长和国际细胞联合体副主席。他主要从事多细胞生物中自噬作用的机理和调控机制研究，在Cell、Nature Cell Biology、Molecular Cell、Autophagy等学术期刊上发表多篇论文。获“万人计划”领军人才、谈家桢生命科学创新奖、国家杰出青年科学基金、霍华德·休斯医学研究所国际青年科学家奖和Lilly亚洲杰出科研成就奖。任Autophagy杂志的副主编，eLife杂志的审稿编委会成员，以及The Journal of Cell Biology、Cell Death and Differentiation、EMBO reports、Journal of Cell Science和JBC等杂志的编委会成员。

参考文献

1. Brangwynne, C. P., Eckmann, C. R., Courson, D. S., Rybarska, A., Hoege, C., Gharakhani, J., ... & Hyman, A. A. (2009). Germline P granules are liquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation. Science, 324(5935), 1729-1732.

2. Li, P., Banjade, S., Cheng, H. C., Kim, S., Chen, B., Guo, L., ... & Michael Rosen(2012). Phase transitions in the assembly of multivalent signalling proteins. Nature, 483(7389), 336.

3. Kato, M., Han, T. W., Xie, S., Shi, K., Du, X., Wu, L. C., ... & Steven McKnight (2012). Cell-free formation of RNA granules: low complexity sequence domains form dynamic fibers within hydrogels. Cell, 149(4), 753-767.

4. Delarue, M., Brittingham, G. P., Pfeffer, S., Surovtsev, I. V., Pinglay, S., Kennedy, K. J., ... & Chung, J. K. (2018). mTORC1 Controls Phase Separation and the Biophysical Properties of the Cytoplasm by Tuning Crowding. Cell.

5. Zhang, Y.X., Yan, L.B., Zhou, Z., Yang, P.G., Tian E, Zhang, K., Zhao, Y., Li, Z.P., Song, B., Han, J.H., Miao, L., and Zhang, H. (2009) SEPA-1 mediates the specific recognition and degradation of P granule components by autophagy in C. elegans. Cell 136, 308-321.

6. Tian, Y., Li, Z.P., Hu, W.Q., Ren, H.Y., Tian, E, Zhao, Y., Lu, Q., Huang, X.X., Yang, P.G., Li, X., Wang, X.C., Kovács, A.L., Yu, L. and Zhang, H. (2010) C. elegans screen identifies autophagy genes specific to multicellular organisms. Cell 141, 1042-1055.

7. Li, S.H., Yang, P.G., Tian, E, and Zhang, H. (2013) Arginine methylation modulates autophagic degradation of PGL granules in C. elegans. Molecular Cell 52, 421-433.

8. Saha, S., Weber, C. A., Nousch, M., Adame-Arana, O., Hoege, C., Hein, M. Y., ... & Pozniakovski, A. (2016). Polar positioning of phase-separated liquid compartments in cells regulated by an mRNA competition mechanism. Cell, 166(6), 1572-1584.

9 Sun, D., Wu, R., Zheng, J., Li, P., & Yu, L. (2018). Polyubiquitin chain-induced p62 phase separation drives autophagic cargo segregation. Cell research, 1.

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