生物物理所揭示巨胞饮体成熟过程的分子机制

4月4日，中国科学院生物物理研究所蔡华清课题组在《自然-通讯》（Nature Communications）上，发表了题为The PripA-TbcrA complex-centered Rab GAP cascade facilitates macropinosome maturation in Dictyostelium的研究论文。该研究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，研究发现，某些肿瘤细胞可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。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，大于被广泛研究的网格蛋白形成的内吞泡的大小。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，而目前对巨胞饮体形成和成熟的分子机制知之甚少。

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。科研人员观察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。在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。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定位在Rab5囊泡结构的周围并与之融合。这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。

研究进一步通过对在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结构域的一个蛋白组成的蛋白复合体，并将这两个蛋白分别命名为PripA和TbcrA。研究结合延时荧光成像、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。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。

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，使细胞能够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。该研究提出不同来源的内吞囊泡加工方式的多样性，这为探究细胞内吞过程的分子机制奠定了重要基础。

研究工作得到国家自然科学基金、科技部和中科院战略性先导科技专项等的支持。

论文链接

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