Cell亮点丨马为锐博士等发现与内质网交织的无膜细胞器促进3ꞌUTR介导的蛋白-蛋白相互作用

责编丨迦溆

各种不同的生物学过程如何在拥挤和高度动态的细胞内有序地进行是生物学中一个非常基础的问题。在细胞内形成亚细胞区室（subcellular compartment）是细胞对生物化学反应实现时间和空间上调控的一种途径。不同的亚细胞区室能够限定特定生物化学反应发生的空间，可以确定参与特定生物化学反应的组分，同时也能够为特定的生物化学过程提供特殊的微环境【1】。

经典的由生物膜包围封闭形成的细胞器就是一类典型的亚细胞区室，例如内质网 (ER, endoplasmic reticulum)、线粒体 (mitochondria) 以及细胞核 (nucleus)等，它们通过生物膜和周围环境隔开。在细胞中，还有一类没有生物膜包围的细胞器，叫做无膜细胞器 (membraneless organelle) ，例如核仁 (nucleolus)、应急颗粒 (stress granule) 和加工小体 (processing body) 等【2, 3】。无膜细胞器通常由特定的RNA和蛋白质组成。虽然没有生物膜包围，但无膜细胞器能够形成直径达微米级并具有确定边界的组装体。因此像经典细胞器一样，无膜细胞器也能够在细胞中产生特定的亚细胞区室【2, 3】。

近年来关于无膜细胞器的研究成为生物学研究的一个热点，很多令人激动的发现揭示了无膜细胞器形成的分子机制，包括液-液相分离（liquid-liquid phase separation） 。相分离的发生通常由具有内在无序结构域（intrinsically disordered region）的蛋白质驱动，这些蛋白聚集形成具有高级结构的组装体 （high order assembly）【2-7】。 此外研究还发现，各种无膜细胞器具有不同的组分【8-10】并且具有不同的物理特性，例如液态、固态或者凝胶态【2, 3】。然而，关于无膜细胞器如何参与细胞内生物过程的调控，目前的知识还非常有限。

近日，来自Memorial Sloan Kettering Cancer Center的Christine Mayr 实验室（论文第一作者为马为锐博士，2015年博士毕业于中科院遗传与发育研究所张建实验室）以封面论文的形式在Cell杂志上发表了题为A Membraneless Organelle Associated with the Endoplasmic Reticulum Enables 3′UTR-Mediated Protein-Protein Interactions的研究论文，报道了一种新的亚细胞区室，它由内质网和一种新的RNA 颗粒（RNA granule）组成【1】。

2015年，Christine Mayr 实验室通过研究CD47基因的3ꞌUTR发现mRNA 3ꞌUTR的一种新功能，即3ꞌUTR可以介导蛋白-蛋白相互作用【11】。3ꞌUTR通过RNA结合蛋白招募特定蛋白到其mRNA，当该mRNA翻译合成蛋白时，被招募的特定蛋白转移到新合成的蛋白分子上，形成蛋白复合体【11】。CD47基因转录产生两种不同的mRNA异构体，两种异构体具有相同的编码区（CDS, Coding Sequence），但3ꞌUTR长度不同，分别称为CD47-LU （long 3ꞌUTR） 和CD47-SU（short 3ꞌUTR）。有趣的是，虽然CD47-SU 和CD47-LU蛋白拥有相同的氨基酸序列，但只有CD47-LU能够与一个名叫SET的蛋白分子相互作用，该蛋白复合体的形成能够促进CD47-LU蛋白有效地定位到细胞膜上（下图）【11】。进一步研究发现，在CD47-LU mRNA进行翻译的时候，SET被RNA结合蛋白HuR招募到CD47-LU mRNA上，随后转移到新合成的CD47-LU蛋白分子上【11】。

3ꞌUTR这一功能的发现表明3ꞌUTR不仅能够调控蛋白表达水平，而且3ꞌUTR也含有遗传信息，这些信息能够转移到蛋白分子并决定蛋白分子的功能【11, 12】。然而，这些信息如何从3ꞌUTR转移到蛋白分子的具体机制还不清楚。

在研究这一问题的过程中，Mayr 实验室发现了一种新的无膜细胞器，命名为TIS granule。 TIS granule 是一种在生理条件下由RNA 结合蛋白TIS11B组装形成的RNA granule。TIS granule具有凝胶状的物理性质和管状而非球状的三维结构。此外，TIS granule能够形成网状结构并与内质网相互交织（下图）。

TIS granule的形成不依赖于内在无序结构域，而是基于TIS11B蛋白分子独特的正负电荷分布模式。TIS granule独特的性质使其与目前已报道的所有无膜细胞器都不同，并且TIS granule代表了第一个与经典有膜细胞器相互交织的无膜细胞器。这些结果表明无膜细胞器具有非常广泛的多样性，将来的研究可能发现更多与经典细胞器相互关联的无膜细胞器。

与单个TIS11B蛋白相比，TIS granule是一种具有高级结构的组装体，因此TIS granule获得了新的性质，称为collective property或emerging property，例如富集或排斥特定的生物大分子的能力。 进一步研究发现，TIS granule 能够富集特定的mRNA到与其交织的内质网区域。这些mRNA编码膜蛋白，并且含有多个AUUUA序列，即AU rich 元件。例如CD47-LU mRNA 3ꞌUTR含有19个AU rich元件，而CD47-SU mRNA 3ꞌUTR只含有1个AU rich元件，因此只有CD47-LU mRNA被富集到与TIS granule交织的内质网区域。同时TIS granule也能够富集特定的蛋白分子，例如分子伴侣到。除此之外，TIS granule及其与内质网相互交织的三维结构（下图），使该区域具有和细胞质其他区域不同的生物化学和生物物理性质，例如在这一区域SET蛋白分子运动的自由度相对较低。

这些结果表明，内质网上存在一些以前未知的，由无膜细胞器定义的结构域。同时也表明，细胞中存在一些由经典细胞器和无膜细胞器相互作用而形成的亚细胞区室。在该研究中，论文的第一作者马为锐把该亚细胞区室命名为TIGER domain （TIS Granule-ER domain）。该命名不仅因为首字母缩略词的切合，也因为TIS granule与内质网相互交织的模式（上图）与老虎身体上的条纹（下图）相似。

最后，该研究发现，TIGER domain的一个功能是促进3ꞌUTR 介导的SET和CD47-LU蛋白相互作用。由于CD47-LU mRNA在TIGER domain富集，当其进行翻译时，CD47-LU蛋白质在TIGER domain这一特定的亚细胞区室中被合成，该亚细胞区室特定的微环境促进CD47-LU与SET蛋白相互作用，从而使其更高效地定位到细胞膜上（下图）。该结果也说明某些蛋白-蛋白相互作用的建立需要独特的细胞微环境。在该研究中，过表达SET并不能提高SET与CD47-LU蛋白的相互作用，而通过大量表达TIS11B制造更大的TIGER domain足以导致SET与CD47蛋白的相互作用。

总之，TIGER domain这一类亚细胞区室联合了经典细胞器和无膜细胞器的性质和功能，使特定的生物学过程更加高效地进行。在进化过程中，3ꞌUTR的长度在高等动物中增长了【12】，而TIS11B 蛋白形成TIS granule能力只在脊椎动物中保守，因此，通过TIGER domain来调控生物学过程可能参与物种复杂度的提高。

参考文献

1. Ma, W. & Mayr, C. A Membraneless Organelle Associated with the Endoplasmic Reticulum Enables 3'UTR-Mediated Protein-Protein Interactions. Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.10.007 (2018).

2. Banani, S. F., Lee, H. O., Hyman, A. A. & Rosen, M. K. Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry. Nature reviews. Molecular cell biology 18, 285-298, doi:10.1038/nrm.2017.7 (2017).

3. Shin, Y. & Brangwynne, C. P. Liquid phase condensation in cell physiology and disease. Science (New York, N.Y.) 357, doi:10.1126/science.aaf4382 (2017).

4. Kato, M. et al. Cell-free formation of RNA granules: low complexity sequence domains form dynamic fibers within hydrogels. Cell 149, 753-767, doi:10.1016/j.cell.2012.04.017 (2012).

5. Kato, M. & McKnight, S. L. A Solid-State Conceptualization of Information Transfer from Gene to Message to Protein. Annual review of biochemistry 87, 351-390, doi:10.1146/annurev-biochem-061516-044700 (2018).

6. Li, P. et al. Phase transitions in the assembly of multivalent signalling proteins. Nature 483, 336-340, doi:10.1038/nature10879 (2012).

7. Nott, T. J. et al. Phase transition of a disordered nuage protein generates environmentally responsive membraneless organelles. Molecular cell 57, 936-947, doi:10.1016/j.molcel.2015.01.013 (2015).

8. Nott, T. J., Craggs, T. D. & Baldwin, A. J. Membraneless organelles can melt nucleic acid duplexes and act as biomolecular filters. Nature chemistry 8, 569-575, doi:10.1038/nchem.2519 (2016).

9. Su, X. et al. Phase separation of signaling molecules promotes T cell receptor signal transduction. Science (New York, N.Y.) 352, 595-599, doi:10.1126/science.aad9964 (2016).

10. Zhang, H. et al. RNA Controls PolyQ Protein Phase Transitions. Molecular cell 60, 220-230, doi:10.1016/j.molcel.2015.09.017 (2015).

11. Berkovits, B. D. & Mayr, C. Alternative 3' UTRs act as scaffolds to regulate membrane protein localization. Nature 522, 363-367, doi:10.1038/nature14321 (2015).

12. Mayr, C. Regulation by 3'-Untranslated Regions. Annual review of genetics 51, 171-194, doi:10.1146/annurev-genet-120116-024704 (2017).

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