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Nature | 蛋白质组学揭示饥饿状态下细胞的蛋白组重构机制

已有 4274 次阅读 2020-7-14 14:03 |系统分类:科研笔记

饥饿应激(nutrient stress)条件下,哺乳动物细胞通过翻译抑制和降解机制重新配置其蛋白质组。作为合成蛋白质的机器,核糖体是这一反应的中心靶点。在饥饿应激期间核糖体被溶酶体降解,可能被选择性地用作碱性氨基酸的来源。但是,目前对翻译抑制和降解机制在核糖体蛋白(ribosomal-proteins)调控中的具体作用和机制还知之甚少。

J. Wade Harper教授是美国哈佛大学Blavatnik研究所细胞生物学系的首席科学家。其团队致力于使用定量蛋白质组学、影像学和生化方法等技术,研究细胞内稳态和信号传导机制,重点研究泛素系统和自噬溶酶体系统。2015年,Harper团队和哈佛医学院的Steven Gygi团队曾报道使用蛋白质组学来开发一个大规模的人类蛋白质相互作用网络,研究成果发表于Cell杂志(查看解读Cell:最大规模的蛋白质互作组网络图谱)。

2020年7月1日,J. Wade Harper团队再次在国际顶级期刊Nature上发表了最新研究成果,运用TMT标记的定量蛋白质组学等方法,分析在有或没有主动自噬情况下核糖体蛋白的稳态,描述了在饥饿应激条件下生物合成和降解机制对蛋白质组重构的贡献。研究发现饥饿应激条件下,细胞会强烈抑制核糖体蛋白的翻译。值得注意的是,核糖体蛋白降解主要通过非自噬途径发生。核糖体蛋白丰度的降低可通过减少原有核糖体的稀释度和细胞体积来弥补,从而保持单个细胞内核糖体的密度。

1、饥饿应激条件下蛋白组的整体变化

研究人员首先利用11-plex TMT标记的定量蛋白组学技术,来检查饥饿应激条件下(氨基酸饥饿或者mTOR小分子抑制剂Torin1 处理)的核糖体蛋白的净平衡(图1)。研究使用了缺失自噬相关基因的HEK293、HCT116细胞,以野生型细胞HEK293T为对照,来判断蛋白组变化是否基于细胞自噬过程。正如预期所示,结果发现饥饿应激条件下自噬cargo受体和内质网蛋白都显著下降,并且下降依赖于自噬过程。然而,近乎全部的核糖体蛋白(70种/80种)仅略有下降(4.6–11.6%),并且在很大程度上与自噬无关。

饥饿应激条件下蛋白组的整体变化

2、饥饿应激条件下r蛋白的翻译抑制

总蛋白组的定量结果表明r蛋白的减少与自噬无关,然而之前有报道观察到了核糖体自噬的发生,这两个结果明显相悖。由于r蛋白丰度受多种机制的共同调节,包括翻译抑制、降解或因细胞分裂造成的稀释。因此,研究人员开发出一种Ribo-Halo技术,来分析新合成、和已有r蛋白的变化,并发展了一种基于AHA-TMT蛋白组技术的定量翻译组学方法,系统地检查饥饿应激期间的r蛋白合成。

Ribo-Halo分析鉴定细胞中核糖体蛋白的密度、合成和稀释

研究结果证实了细胞分裂造成r蛋白的稀释,通过新合成r蛋白保证总丰度的稳定。在抑制mTOR或氨基酸胁迫(3h)后,总翻译量减少了60–70%,绝大多数蛋白质受到翻译抑制,新合成的r蛋白也明显减少。mTOR处理比氨基酸胁迫能够更特异性的抑制r蛋白的翻译,尽管在蛋白质组范围内两者水平相似。去除精氨酸导致更强的翻译抑制。总蛋白组和r蛋白的翻译抑制顺序为Arg≥Tor1>Lys>Leu。r蛋白的整体翻译抑制有助于在急性营养应激期间控制核糖体的丰度

三、饥饿应激条件下r蛋白的全局性降解

为了直接检测饥饿应激期间r蛋白的降解以及自噬对周转的贡献,研究人员用AHA脉冲标记,结合基于TMT的蛋白质组学来定量分析蛋白质丰度。研究定量到超过8300个蛋白质,可分为三种不同的周转模式:模式1,自噬依赖性降解,包括几个自噬受体;模式2,抑制mTOR可增强的不依赖自噬的蛋白降解;模式3,mTOR抑制后不依赖性自噬的稳定蛋白。r-蛋白质符合模式2,在mTOR抑制后(即饥饿应激条件下),r蛋白被诱导快速周转,并且在很大程度上通过非自噬途径发生。

饥饿应激条件下r蛋白的全局性降解

此外,考虑到在细胞核或核仁中有几个核糖体组装步骤,研究人员进一步研究了饥饿应激是否会改变r蛋白的核质比,同时进一步量化了核糖体的自噬通量。结果证实了饥饿应激条件下,r蛋白的分布基本上没有变化,说明r蛋白的重新分配在核糖体稳态中的作用非常小。核糖体被选择性地用于自噬,以应对氨基酸等物质的缺乏。

综上所述,研究人员通过TMT蛋白质组学定量等方法,广泛探索控制信号依赖性的蛋白质组重构的生物合成和降解机制的整合。值得注意的是,鉴于内质网蛋白对总蛋白质组质量的贡献与r-蛋白相当,内质网可能是因氨基酸缺乏或mTOR抑制而自噬降解的主要靶点。核糖体也可能在某种程度上通过与粗糙内质网的结合而被自噬降解。另外研究强调了要同时考虑r蛋白稳态的多种机制的重要性,以充分理解不同细胞系统对饥饿应激的不同反应方式的相似性和差异性。例如与哺乳动物细胞相比,酵母细胞的自噬呈现明显的差异。

参考文献:

1、Heeseon An, et al., 2020, Systematic quantitative analysis of ribosome inventory during nutrient stress. Nature.




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