细胞“垃圾回收”面纱 帮助细胞渡过艰难困境

2021-08-18 16:14:52

自噬是细胞自身物质更新代谢的重要机制,简单地说,就是“自己吃自己”。自噬事关细胞从成长、发育到衰老的全部过程,对维持机体健康至关重要,吸引着科学家的高度关注。

自2015年起,在国家自然科学基金创新研究群体项目“多细胞生物自噬过程中膜的构建与融合”(以下简称创新群体项目)支持下,中国科学院生物物理研究所研究员张宏带领科研人员对自噬小体的形成以及自噬小体的成熟机制进行了深入研究,取得丰硕成果。

科研一小步 认知一大步

“自己吃自己”的细胞自噬相当于“垃圾回收”的过程,具有双层膜结构的自噬小体收集细胞内受损的细胞器和其他垃圾,送给“回收站”溶酶体,并在酸性条件下进行降解。当细胞处于包括饥饿在内的各种胁迫条件下,自噬又能降解细胞内一些不必要的物质,为细胞提供物质和能量,帮助细胞渡过艰难困境。

尽管早在上世纪60年代科学家就发现了细胞自噬的现象,但其真正为普通人所熟悉还是在2016年。这一年,喜欢喝酒、能写一手漂亮的毛笔字、须发皆白的日本科学家大隅良典独享诺贝尔生理学或医学奖。从上世纪90年代开始,大隅良典选择酵母为研究自噬的模型,不仅首次在酵母中观察到自噬现象,还为建立酵母为研究细胞自噬的遗传筛选模型奠定了基础。

很长一段时间,科学家对自噬的理解都是基于单细胞生物酵母中鉴定的自噬基因的研究。长期从事秀丽线虫研究的张宏认为,多细胞生物的自噬过程要复杂得多。“在多细胞生物中,自噬小体形成时,需与内质网建立动态的互作,另外新形成的自噬小体需要先与多种内吞体融合,经历‘自噬小体成熟’的过程,最终与溶酶体融合形成有降解活性的自噬溶酶体。”他说。

这一过程一直没有得到揭示。2015年,在大隅良典获颁诺贝尔奖的前一年,国内该领域的专家就前瞻性地预见到多细胞自噬在科学上的重大价值,创新群体项目正是在这样的背景下立项。

5年来,在国家自然科学基金的支持下,创新群体项目成员率先推进了全球“独一份”的研究工作。“我们在前人基础上走的一小步,却是多细胞生物自噬认知上的一大步。”张宏说。

张宏课题组建立了线虫作为研究多细胞生物自噬的研究模型,在国际上首次通过遗传筛选鉴定了系列多细胞生物特有的新自噬基因,并揭示了这些新基因在多细胞生物自噬特有步骤中发挥的功能。例如,研究人员发现定位内质网的一个基因EPG3能够调控自噬小体和内质网的相互作用,如果这一基因缺失,则会阻断自噬小体正常形成。而EPG5则通过与溶酶体上的多个蛋白相互作用,在自噬小体成熟过程中扮演着重要角色。

基础研究的使命与担当

党的十九届五中全会把科技自立自强作为国家发展的战略支撑,提出“面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康”。其中,“面向人民生命健康”是一个新的方向。

作为生命科学研究者,群体成员也一直坚信,基础研究要坚持面向人民生命健康。2020年初,新冠疫情来势汹汹,张宏和团队成员立刻付诸实践。“这是我们项目计划以外的一个课题。”张宏告诉《中国科学报》,新冠疫情牵动着全中国乃至全球人民的心,作为科学家,他们更不能置身事外。

抵抗外来入侵的病原体,自噬也是相当重要的机制之一。新冠病毒快速入侵人体的现象引起了群体成员的注意。经过筛选,群体成员发现新冠病毒编码的ORF3a蛋白能够抑制自噬小体和溶酶体的融合过程。形象地说,这个病毒蛋白把一些原本在自噬小体成熟过程中发挥关键作用的分子牢牢“拽”着,帮助病毒逃脱被降解的命运。研究人员相信,这项研究对于理解新冠病毒的高传染性和致病性以及开发潜在的治疗方法有重要意义。

神经退行性疾病也是群体成员重点关注的现实需求之一。过去的一系列研究显示,阿尔茨海默病的发生与淀粉样蛋白聚集相关。那么,为什么淀粉样蛋白不能被自噬清除呢?

“我们看到一个现象,即使细胞自噬机制正常,没有受到任何损伤,有一些蛋白质聚集体仍然无法被清除。”张宏介绍。于是,群体成员独辟蹊径地将目标锁定在蛋白质聚集体上。经过一系列实验,他们确认,蛋白质本身的物质状态影响了自噬作用的效果,如呈现出胶状的蛋白质聚集体才能诱导产生双层膜结构从而进入自噬过程被清除掉。而呈现出固体、纤维状的淀粉样蛋白则无法诱导形成双层膜,从而逃避被清除。

基础研究本身也推动人们对相关疾病的认知。“人类遗传学研究发现,我们利用线虫遗传体系筛选得到的EPG5基因突变会导致一种称作Vici综合征的多系统紊乱疾病,但其致病机制仍不清楚。”该团队的研究发现EPG5特异性介导自噬小体与晚期内吞体之间的融合。EPG5缺失会导致无法形成有功能的自噬溶酶体,从而引起细胞内膜系统功能紊乱。这一研究对阐述Vici综合征的发生发展有重要意义。

群体成员表示,未来,他们将继续以细胞自噬为视角探索重大疾病发生的机制、发现新药物靶点、开发新治疗方案,为面向人民生命健康作出基础研究者应有的贡献。

优势互补 精诚合作

在该创新群体项目中,张宏和胡俊杰、徐平勇、徐涛等4位来自中国科学院生物物理研究所的研究员优势互补、协同攻关,共同解析细胞自噬作用。

张宏坦言,回顾创新群体项目申请与执行的历程,正是这一项目为他们提供了合作的契机和平台。“胡俊杰长期从事内质网方面的研究,多细胞生物的自噬小体是在内质网上生成,与内质网的动态互作也是多细胞生物特有的过程。”他说。因此,决定申请项目之初,张宏就主动邀请刚刚加入中国科学院生物物理研究所的胡俊杰。

徐涛和徐平勇的强项则在于发展新技术新方法研究自噬过程的膜融合。其中,徐涛主攻超高分辨显微成像技术以研究自噬蛋白的定位,徐平勇则主攻荧光探针与成像方法。在创新群体项目支持下,他们和群体成员合作发展出光镜—电镜联合探针mEosEM和PANL-SIM超分辨成像探针,提高了在活细胞中观测自噬小体的分辨率。

“一项成像技术从开发到真正在某一个生物学问题上实现应用,可能需要很长时间的积累,特别是对于细胞自噬这一高度动态的过程。”张宏说。

因此,尽管创新群体项目已经结题,几位群体成员仍在进行通力合作,静待新技术“开花结果”。

面向未来,研究人员看好自噬研究的前景。“多细胞生物自噬研究才刚刚起步,还有许多问题需要科学家继续努力。”张宏表示。

《中国科学报》:您对基础研究坚持面向人民生命健康有哪些体会?

张宏:基础研究坚持面向人民生命健康,需要我们从现实存在的疾病中寻找科学问题。多年来,我的体会是解决基础科学问题和解决疾病中的科学问题二者相辅相成,不能分割。一方面,基础科学问题的研究成果能够应用在疾病诊治中,有助于应对疾病。另一方面,从疾病中寻找并解决科学问题也能增加人类的认知,“反哺”基础科学的发展。

例如,我们以细胞自噬为视角对新冠病毒的研究,对ORF3a蛋白功能的阐明不仅有助于解释新冠病毒逃脱自噬监控的现象,也增加了我们对自噬膜动态过程的理解。

当然,在这个循环中,基础科学的进步是“总机关”,没有基础科学研究成果就谈不上解决现实问题。

《中国科学报》:未来多细胞自噬的关键问题有哪些?

张宏:首先,自噬小体双层膜的来源仍然不清楚,这是领域中最基础的科学问题,将来还要进行深入研究。第二,自噬作用的特异性如何决定,也就是说自噬如何“定点”清除细胞垃圾,这个问题会与健康紧密相关。第三,有关自噬活性协同调控的规律,这也是多细胞生物自噬所特有的。

总之,深入剖析多细胞生物的自噬过程, 有助于找到诊断和治疗这些疾病的新靶点,并为这类疾病的发病机制研究和临床治疗提供理论支撑。

《中国科学报》:对研究这些科学问题的新技术有什么期待?

张宏:自噬研究对探针和成像技术都提出了挑战。我们知道,多细胞生物的自噬小体成熟过程要和很多囊泡进行融合,并且过程发生很快。这就需要能够标记不同种类囊泡的快速探针,自噬小体、溶酶体以及内吞体中都需要。同时,对探针的灵敏度也有要求,自噬小体和内质网之间的互作发生在几十纳米的尺度上。我们期待这些新技术在不久的将来能够涌现出来。

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