蔡华清课题组揭示巨胞饮体成熟过程的分子机制
2022年4月4日中科院生物物理研究所蔡华清课题组在《nature communications》杂志发表题为"the pripa-tbcra complex-centered rab gap cascade facilitates macropinosome maturation in dictyostelium"的研究论文，该论文揭示了巨胞饮体成熟过程中由rab5、rab7、pripa和tbcra构成的rab gap信号级联通路调控巨胞饮体成熟和货物降解的分子机制。
巨胞饮（macropinocytosis）是细胞非选择性内吞胞外液体的过程。这一特殊的内吞行为在多种细胞类型中发生，例如阿米巴细胞利用其获取环境中的营养物质，免疫细胞利用其捕获抗原，神经细胞利用其内吞膜受体调节突触信号。巨胞饮也与许多疾病的发生相关，例如在神经退行性疾病中介导蛋白聚集体在细胞间的传递、被病原体利用入侵宿主细胞等。近年来的研究也发现，某些肿瘤细胞能够通过上调巨胞饮摄取蛋白质和脂肪酸等营养物质，从而在肿瘤微环境中维持生长优势。相比其他内吞过程，巨胞饮作用具有若干鲜明的特点。首先，巨胞饮提供了一种内化大量溶质和膜的途径，巨胞饮体的直径一般在0.2~5微米，远大于被广泛研究的网格蛋白形成的内吞泡的大小。其次，巨胞饮不依赖包被蛋白或固体颗粒模板，而是由肌动蛋白驱动质膜发生形变，进一步形成内吞囊泡。这些巨胞饮过程特性的背后蕴藏复杂的调控机理，然而目前对巨胞饮体形成和成熟的分子机制还知之甚少。
为了解析巨胞饮体成熟过程的分子机制，蔡华清课题组利用模式生物dictyostelium discoideum细胞开展研究。首先观察了rab小gtp酶的动态变化，发现巨胞饮体在从质膜上分离后会依次被rab5和rab7标记。有趣的是，在从rab5标记的早期巨胞饮体向rab7标记的晚期巨胞饮体转变的过程中，rab7并不像经典模型中描述的那样是从胞质中被招募到囊泡结构上的。相反，当rab5标记的早期巨胞饮体进入细胞中约20-30秒后，大量rab7标记的晚期巨胞饮体会定位在rab5囊泡结构的周围并与之融合。这一现象表明巨胞饮体成熟过程中rab5向rab7的转化依赖晚期巨胞饮与早期巨胞饮体的融合。
进一步通过对在rab5向rab7的转化阶段特异定位于巨胞饮体上的蛋白的筛选，发现了由包含ph结构域的一个蛋白和包含rabgap结构域的一个蛋白所组成的蛋白复合体，并将这两个蛋白分别命名为pripa和tbcra。结合延时荧光成像、酵母双杂交和一系列生化实验，证明pripa分别与早期巨胞饮体上的pi(3,4)p2和晚期巨胞饮体上的rab7结合，为两种巨胞饮体膜结构之间建立链接。与此同时，pripa招募tbcra，而后者作为rab5的gap促进rab5-gtp的水解，从而保证在晚期巨胞饮体与早期巨胞饮体融合的过程中rab5被及时失活。pripa或tbcra基因的缺失会抑制rab5的失活，并阻碍巨胞饮体的成熟和内吞货物的降解。此外，研究发现pripa-tbcra复合体在细胞吞噬细菌和酵母等微生物的过程中也发挥类似的功能，从而促进吞噬体的成熟。
综上所述，该研究揭示了rab5、rab7和pripa-tbcra复合物以rab gap级联（rab gap cascade）的形式调控巨胞饮体成熟的分子机制。在该调控机制中，处于信号通路下游的rab7通过膜融合的方式被富集到巨胞饮体上，rab7再通过招募gap蛋白抑制通路上游的rab5的活性，从而确保巨胞饮体成熟过程中rab小gtp酶转化的方向性，使得细胞能高效地处理巨胞饮内吞的货物，进而及时获取维持细胞生长和增殖的营养物质。这项研究提示我们不同来源的内吞囊泡加工方式的多样性，为深入探究细胞内吞过程的分子机制奠定了重要的基础。
图. rab5、rab7和pripa-tbcra复合体构成的rab gap信号级联通路调控巨胞饮体成熟
中国科学院生物物理研究所博士生涂慧为本文的第一作者，蔡华清研究员为本文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委、科技部和中科院先导项目等的经费支持。
文章链接：
（供稿：蔡华清研究组）
