研究内容

揭示主导蛋白质相动力学的分子机制是破解复杂的细胞内调节机制的迫切需要。虽然离子和生物大分子在调节蛋白质相分离方面已被广泛认可，但基本上构成胞质化学气氛的小分子对蛋白质相行为的影响很少被理解。

北京师范大学毛兰群/吴菲/中国科学院化学研究所于萍报道了维生素C（VC）驱动肌球蛋白II/F-肌动蛋白（肌动蛋白）细胞骨架的重入相变。肌动蛋白束通过伴随VC浓度单调增加肌动蛋白II蛋白聚集-解离过程，在低VC状态下凝聚，在体外或神经元细胞内在高VC状态下聚集。进一步采用原位单细胞和单囊泡电化学来证明细胞内VC气氛对儿茶酚胺递质囊泡胞吐的定量调节，即胞吐释放量在低VC状态下增加，在高VC状态下减少。还展示了VC如何通过肌动蛋白相变和细胞内游离钙水平对膜张力的抵消或协同作用来调节细胞膜-囊泡融合孔动力学。相关工作以“Vitamin C Drives Reentrant Actin Phase Transition: Biphasic Exocytosis Regulation Revealed by Single-Vesicle Electrochemistry”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1.作者报道了细胞内维生素C（VC）介导的肌动蛋白组装体的重入相变。该通常通过混合聚合物系统表现出来，并且最近在存在单调盐或RNA浓度变化的情况下，在蛋白质-RNA凝聚物的液体状蛋白质液滴和无膜细胞器（MLO）上观察到。该研究体外数据显示，非肌肉运动蛋白肌球蛋白II是与肌动蛋白产生收缩力的主要肌球蛋白亚家族，在大脑中高度丰富，在低VC浓度（10 μM）下从无VC溶液中的溶剂化状态转变为聚集状态，并在高VC浓度（100 μM）时解离。

要点2.光谱表征和对接模拟表明，在肌球蛋白II重链的肌动蛋白结合结构域中，α-螺旋和β-片之间可能发生可逆的二级结构转变。与肌球蛋白II本身相反，肌动蛋白组装体在没有VC的情况下保持凝聚束形态，在低VC浓度下解聚，并在高VC浓度下重新进入相分离的宏观状态。

要点3.在单细胞电化学的辅助下，作者在细胞内定量控制的VC气氛下探索了肌动球蛋白动力学。对初级神经元的荧光成像表明，细胞内VC气氛的单调增强驱动肌动球蛋白组装体的重入相变，反映了体外结果。电化学定量显示在VC补充的多巴胺能细胞中小泡神经递质的储存增加到单个小泡水平，以及神经递质胞吐的胞质VC浓度依赖性双相行为与肌动球蛋白相变一致：在低VC状态下，定量释放量增加，并降至不补充VC和高VC状态下的水平。统计分析表明，在高VC状态下，由于凝聚的肌动蛋白束维持细胞膜张力，囊泡在胞吐过程中经历膜囊泡融合孔的更快闭合。

该工作已经证明了小分子在调节蛋白质相变中的重要作用，为神经元功能和疾病的发展提供了新的化学视角。

研究图文

图1. VC诱导肌球蛋白II和肌球蛋白II/F-肌动蛋白组装体的重入相变。

图2. VC诱导的肌球蛋白II的可逆结构转变。

图3. 胞质VC浓度的细胞内电化学传感。

图4. 细胞内VC介导的神经元肌动蛋白组装的重入相变。

图5. VC介导的神经递质小泡胞外分泌行为的调节。

图6. VC对神经元细胞内钙水平的影响。

文献详情

Vitamin C Drives Reentrant Actin Phase Transition: Biphasic Exocytosis Regulation Revealed by Single-Vesicle Electrochemistry

Jing Liu, Ying Jiang, Ran Liu, Jing Jin, Shiyi Wei, Wenliang Ji, Xiulan He, Fei Wu,* Ping Yu,* Lanqun Mao*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c02710

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