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基础医学院徐素宏课题组《Developmental Cell》揭示四次跨膜蛋白TSP-15在介导秀丽隐杆线虫表皮细胞膜大伤口修复的潜在机制

编辑:林海燕 来源:基础医学系 时间:2022年07月01日 访问次数:10  源地址

2022630日,浙江大学基础医学院/附属二院/爱丁堡联合学院徐素宏课题组在活体动物细胞膜修复研究方面取得重要进展,国际权威期刊《Developmental Cell》在线刊登了团队的学术论文Recruitment of tetraspanin TSP-15 regulates plasma membrane repair in C. elegans epidermis。该研究利用成年秀丽隐杆线虫表皮损伤模型,发现活体动物单细胞水平参与细胞膜修复的关键蛋白TSP-15,并解析了该种四次跨膜蛋白介导在体大创口细胞膜修复的潜在分子动态调控机制

细胞膜作为维持细胞内环境稳态的重要屏障,其完整性常常会受到机械应力、辐射、化学物质、炎症反应和病原体入侵等因素的威胁。破损后的细胞膜能够完成有效的膜修复是细胞存活乃至恢复正常生命活动的前提。尽管细胞无法预测细胞膜损伤发生的时刻和定位,但是细胞能够在损伤后几秒至几分钟之内做出精准反应对细胞膜缺损进行修复。因此细胞如何响应损伤并是如何进行细胞膜修复的分子机制是领域内主要关注的研究方向。迄今的研究发现根据损伤类型、伤口尺寸等,细胞将启动不同的修复机制恢复细胞膜的完整性。由于在体生物学研究的困难性,这些研究多建立在体外细胞的研究模型之上,对于动物体内的研究则鲜有报道。

徐素宏课题组建立了秀丽线虫皮肤损伤模型,利用成年线虫巨大多核融合表皮细胞的特点,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,为该领域填补了很多知识空缺。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(Fu et al., Nature Communications 2020),其中CDC-42还能够感应损伤后爆发式的H2O2信号并形成蛋白聚集体,通过调控WSP-1加速伤口肌动蛋白丝的多聚化 (Xu et al., Cell Reports 2021);还发现了膜融合蛋白EFF-1SYX-2的复合体参与在体细胞膜修复;并明确了ESCRT信号参与并调控在体细胞膜修复的保守性等 (Meng et al., Developmental Cell 2020)。然而,细胞膜损伤修复是一个复杂且时序性分子协同调控的过程,我们对在体细胞膜修复的了解仍然不全面,对较大伤口细胞膜修复分子机制的研究证据也尚不充足。

成年线虫表皮细胞hyp7是在发育最终由多个细胞融合形成的多核细胞,覆盖基本整个线虫躯体,在表皮损伤后没有细胞迁移和增殖。因此hyp7损伤后,为了防止细胞内营养和体液的流失以及线虫的存活,hyp7的伤口修复过程必须快速启动并逐步实现细胞膜结构和功能的重塑。该研究将目光聚焦与广泛分布于细胞膜上的四次跨膜蛋白(Tetraspanins, TSPs)。Tetraspanin是一类保守的四次跨膜蛋白质,其作为细胞膜上的组织者,能够通过侧向富集膜受体蛋白、粘附分子以及胆固醇等形成四次跨膜蛋白富集结构域 TEMTetraspanin enriched microdomain),进而参与迁移体形成、细胞迁移、侵袭、细胞粘附以及细胞内运输等过程,能够在一定程度上维持细胞膜的完整性。研究者通过对线虫中Tetraspanins家族21个蛋白成员进行组织表达谱分析发现TSP-15不仅在成年线虫表皮中表达,而且能够对针刺、激光、单线氧化学损伤、遗传突变所导致的损伤等多种细胞膜损伤方式发生响应,并在伤口处发生明显聚集。另外更重要的是,如果缺少TSP-15hyp7的修复会明显发生障碍。这些结果表明TSP-15是线虫表皮细胞膜修复所必需的。



为了进一步探索TSP-15在伤口处聚集的调控机制,通过活体成像发现损伤后聚集于细胞膜缺损处的TSP-15来源于距离伤口较远的未损伤区域。另外研究团队通过对经典内吞途径关键蛋白及介导囊泡的融合、成熟和循环等过程来参与囊泡的转运Rab GTPasesRabs)的筛选发现RAB-5参与调控TSP-15 在损伤前后的正确定位,可能由RAB-5参与调控的内吞途径能够参与TSP-15向细胞膜缺损处转运。还发现组成ESCRT III 的关键亚基VPS-32.1以及ATP水解酶VPS-4TSP-15向伤口处富集所必需的。最后,研究团队通过生化和成像等实验发现 TSP-15 通过与膜修复蛋白 SYX-2 发生互作,并可能在损伤前后通过招募SYX-2向细胞膜定位以介导细胞膜的修复。

由此,研究团队提出了TSP-15修复破损细胞膜的模型:TSP-15向伤口处的聚集受到RAB-5VPS-32.1VPS-4的调控,TSP-15的聚集能够进一步招募重要的膜修复蛋白SYX-2富集于细胞膜缺损处帮助细胞膜修复,确保损伤后膜结构的完整性。

该研究利用线虫表皮细胞损伤模型,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,在活体动物体内再次尝试解析单细胞损伤的内源性调控机制,发现了新的关键蛋白以及膜修复蛋白的可能转运途径,并联系了同已知膜修复蛋白之间的互作关系。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更多可能。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。

该项研究工作由浙江大学基础医学院/附属二院/爱丁堡联合学院徐素宏课题组完成。徐素宏教授为本文的通讯作者,浙江大学基础医学院博士生王园园杨庆先和浙江大学爱丁堡大学联合学院/浙江大学附属第二医院博士后孟曦男为本文共同第一作者。同时感谢国家重点研发计划、国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金等经费的支持。该项工作在前期和后期都得到了清华大学俞立教授,浙江大学刘伟,孙启明等教授的帮助和有益讨论。


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