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题目：Membrane prewetting by condensates promotes tight-junction belt formation
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2024年8月7日
通讯作者单位：津罗莎琳德·富兰克林研究所
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07726-0
主要内容：
形成组织屏障的细胞依赖于称为紧密连接的细胞间接触。这些结构由蛋白质凝聚物组装而成，这些凝聚物沿着细胞膜扩散，就像水滴在玻璃上扩散一样。
细胞不仅在膜结合的细胞器中区室化生化反应，而且还通过形成液滴状大分子凝聚物来分隔生化反应。缩合物是通过称为液-液相分离的过程产生的，该过程由蛋白质之间或蛋白质与核酸之间的弱和多价（发生在多个位点）相互作用驱动。有趣的是，当冷凝物与细胞膜接触时，会观察到一种称为润湿的现象。该术语是指液体在 2D 表面上扩散的方式，就像水滴在玻璃上扩散一样。润湿可塑造和重塑膜，并已涉及广泛的生物过程。Pombo-García 等人报告说，润湿是细胞之间形成特殊连接的基础，称为紧密连接。
这些连接存在于上皮细胞和内皮细胞中，它们都形成排列在体内表面的紧密组织片。紧密连接特别位于细胞侧膜的顶端（顶部），在那里它们形成一条连续的圆周带，既充当扩散屏障又充当半透孔。该带限制了大量液体在体内隔室之间的移动，同时允许离子和大分子在组织中选择性运输。紧密连接的缺失或失调会导致人类疾病，这强调了紧密连接在正常细胞生理学中的关键作用。
在最简单的形式中，紧密连接由两种类型的蛋白质组成。跨膜蛋白（如密蛋白家族的成员）跨越一个细胞和另一个细胞之间的间隙，形成一个复杂的原纤维网络，称为紧密连接链。大型支架蛋白，包括闭塞小带 （ZO） 家族的成员，组装细胞质斑块，将紧密连接链连接到细胞的内部结构支架（细胞骨架）。能够可视化蛋白质空间分布的技术，例如空间蛋白质组学和高分辨率显微镜，为分子组成和紧密连接的顶端-外侧组织提供了有价值的见解。研究还表明，蛋白质 ZO-1 的相分离（或缩合）驱动紧密连接的组装。然而，可视化这些凝聚物如何与活细胞中的细胞膜相互作用并使其功能化在技术上是具有挑战性的，因此对紧密连接组装机制的空间和时间了解是有限的。
使用实验和理论方法的结合，Pombo-García 等人发现相分离的 ZO-1 凝聚物沿上皮细胞顶膜和外侧膜之间的界面扩散是由润湿转变驱动的，这取决于 ZO-1 与决定上皮极性的称为 PatJ 的蛋白质之间的物理连接（图 1）。
首先，作者使用一种称为时间分辨邻近标记和质谱的技术来识别在紧密连接形成过程中哪些蛋白质被募集到 ZO-1 中。他们发现紧密连接是以逐步方式组装的：一些蛋白质很早就被募集到 ZO-1，而另一些蛋白质则延迟到达。然后，作者使用定量活细胞成像来验证这些紧密连接蛋白的不同募集曲线，为控制功能性紧密连接带组装的时空事件提供了新的见解。
然后，作者专注于表征 PatJ，发现它在紧密连接形成的后期被募集到 ZO-1 中。PatJ 是一种大支架蛋白，具有多个蛋白结合 PDZ 结构域。它与衔接蛋白 Pals1 和跨膜蛋白 Crb3 一起形成一种称为 Crumbs 复合物的蛋白质复合物。使用超分辨率显微镜，作者对紧密连接链的组织进行了精细的成像，并表明 PatJ 相对于紧密连接位于顶端。这与以前的工作一起，表明 Crumbs 复合体严格划定了顶膜和外侧膜之间的边界。
PatJ 和 Pals1 对于紧密连接的形成都很重要，但目前尚不清楚这些蛋白质的确切功能。为了解决这个问题，作者灭活了细胞中编码 PatJ 的基因，发现这些细胞未能建立正常的紧密连接屏障。在没有 PatJ 的情况下，ZO-1 和其他紧密连接蛋白会形成膜相关缩合物，但这些缩合物不会沿膜扩散。观察 ZO-1 凝聚物运动的活细胞成像证实，PatJ 是凝聚物扩散所必需的，因此是形成连续的紧密连接带所必需的。
为了支持他们的实验数据，作者使用了基于表面凝聚物生长的热力学的理论建模。该模型忠实地概括了紧密连接形成的不同阶段：ZO-1 冷凝物通过低亲和力相互作用在膜上对接;通过顶端-外侧界面处的高亲和力结合位点诱导的润湿转变;以及 ZO-1 冷凝物的伸长以产生连续的紧密连接带。该模型支持实验观察到的 ZO-1 凝聚态的延伸动力学，以及润湿转变需要与顶端锚（即 PatJ）相互作用的想法。
接下来，作者询问了 PatJ 如何与 ZO-1 凝聚物相互作用，发现 PatJ 的 PDZ 结构域 1 和 6 是这种相互作用所必需的。他们设计了一种包含这两个结构域的构建体，该结构域连接到 PatJ 的另一个结构域，称为 L27，该结构域将 PatJ 连接到顶端 Crumbs 复合物。值得注意的是，这种构建体的表达足以挽救缺乏 PatJ 的细胞中紧密连接形成的缺陷。同样，L27 结构域直接与 ZO-1 融合的嵌合构建体也恢复了紧密连接带。这表明 PatJ 充当将 ZO 蛋白连接到顶端-外侧边界的顶端锚点，这反过来又允许 ZO-1 凝聚物沿顶端-外侧膜界面扩散（图 1）。
这项研究为紧密连接组装提供了新的机械学见解，并提出了几个令人兴奋的问题。首先，尽管 Pombo-García 等人的工作。提供了令人信服的证据，证明 PatJ 对于紧密连接组装至关重要，但 PatJ 和 ZO-1 之间相互作用的分子基础尚不清楚。有证据表明，PatJ 通过其 PDZ 结构域与另外两种紧密连接蛋白结合、ZO-3 和 claudin-1。因此，PatJ 有可能充当连接单个紧密连接蛋白的多价“胶水”。如果是这样，这种相互作用将如何单独和共同影响紧密连接组装？
其次，PatJ 在润湿转变过程中在多大程度上改变了 ZO-1 冷凝物的材料特性？第三，连接细胞骨架在润湿过程中的作用（如果有的话）是什么？最后，膜润湿是适用于所有上皮细胞和内皮细胞的紧密连接组装的通用机制吗？解决这些问题将是了解紧密连接如何调节上皮和内皮组织的通透性，以及该屏障的失调或破坏如何导致人类疾病的关键。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07726-0
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