撰文 | YQ

責編 | Qi

真核細胞中存在著大量的各種細胞器，包括膜包裹形成的細胞器：細胞核、內質網、線粒體、溶酶體等。細胞內還有另一類的無膜細胞器：stress granule、paraspeckle等。自Hyman和Brangwynne在2009年在Science雜誌首次發表了線蟲體內的p-granule顆粒是透過透過液-液相分離（liquid-liquid phase separation，LLPS）形成以來。大量的研究證明細胞內的一系列的無膜包裹的“顆粒”的本質大多都是相分離，包括但不限於：RNA-granule【1, 2】、Postsynaptic Densities【3】、核糖體【4】、Stress Granule【5】等。

相分離形成的 Droplets 可以在一定的條件下形成，在另一種條件下消失，但是這種droplets結構是否能夠直接被細胞降解仍不清楚，目前已經有報道透過相分離形成的Stress granule以及PGL顆粒透過液-液相分離形成的droplets能夠被autophagy途徑直接降解【6, 7】，但是這一降解的機制仍不明確。

近日，來自Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology 的Roland L. Knorr課題組在Nature 雜誌發表了題為 Wetting regulates autophagy of phase-separated compartments and the cytosol 的文章，從物理化學潤溼作用（Wetting）的角度透過理論模擬，體外、體內實驗驗證，闡述了autophagy降解液-液相分離形成的droplets的物理化學機制。

之前的研究表明，p62識別目的蛋白上的多聚泛素化鏈，透過相分離的機制形成p62小體,進而介導自噬小體的形成，透過細胞自噬途徑降解【8】。作者以這一經典的droplets的autophagy降解途徑研究液-液相分離形成的droplets的降解機制。

作者首先對p62的相分離進行了驗證，p62透過相分離形成趨於球形的droplets,並且這種droplets在兩兩相互接觸後會發生融合，融合後在液滴表面張力的作用下，很快恢復球形的結構。LC3陽性的膜結構一般可以作為autophagosome 的marker，作者透過看LC3陽性的membrane是否會與p62形成的droplets具有共定位，是否能夠將p62形成的droplets包括起來來驗證p62形成的droplets是否能夠透過autophagy降解，並研究其機制。

作者發現LC3會在p62形成的droplets的表面形成明亮的puncta，進一步透過電鏡等方式研究發現，LC3陽性的membrane會形成一個類似莖環的結構包裹p62形成的droplets。另外。作者發現，在droplets中的p62可以很好的在熒光漂白後恢復，但是被包裹在這個“莖環結構”中的p62的熒光漂白恢復能力大大降低。作者透過推測，這種莖環狀結構是LC3陽性的membrane將droplets結構“切割”後形成的特殊結構，在這個過程中伴隨著droplets的分裂，因此可以形象地解釋為autophagosome將droplets 結構“切割”出一小部分，進而透過autophagy途徑降解。

作者透過物理化學的潤溼（Wetting）以及毛細管現象，對這一過程做了模擬，並在體外應用Giant unilamellar vesicles (GUVs) 體系進行了驗證，這一理論可以很好地解釋上面觀察到的現象。作者發現，autophagosomal droplet sequestration 的驅動因素主要來源於Wetting作用以及“液滴”的表面張力等之間的平衡。

透過以上的理論，作者得出p62與LC3的結合的強弱會調控這個autophagy降解“droplets”的過程的結論。作者對p62的LC3-interacting region (LIR) 做了截斷，作者發現與體外之前的研究結果一樣，p62(ΔLIR)與p62 一樣，能夠形成droplets，並且能夠與LC3陽性的membrane共定位，但是作者發現，p62(ΔLIR) 形成的droplets並不會被LC3陽性的membrane結構包裹起來，因此p62與LC3的相互作用對於p62形成的droplets被autophagy途徑降解是必須的，這種相互作用可以理解為增加了autophagosome membrane與droplets之間的潤溼作用。進而透過類似毛細管現象完成autophagosomal droplet sequestration。

綜上，作者透過物理化學的角度對相分離形成的“液滴”的autophagy降解途徑做了深入的研究，闡明瞭其中的物理化學機制，對後續的研究提供了非常好的物理化學模型，從新的角度闡述了相分離調控autophagy的機制。

原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2992-3

製版人：十一

參考文獻

1. Han, T.W., et al., Cell-free formation of RNA granules: bound RNAs identify features and components of cellular assemblies. Cell, 2012. 149(4): p. 768-79.

2. Kato, M., et al., Cell-free formation of RNA granules: low complexity sequence domains form dynamic fibers within hydrogels. Cell, 2012. 149(4): p. 753-67.

3. Zeng, M., et al., Phase Transition in Postsynaptic Densities Underlies Formation of Synaptic Complexes and Synaptic Plasticity. Cell, 2016. 166(5): p. 1163-1175.e12.

4. Brangwynne, C.P., T.J. Mitchison, and A.A. Hyman, Active liquid-like behavior of nucleoli determines their size and shape in Xenopus laevis oocytes. Proc Natl Acad Sci U S A, 2011. 108(11): p. 4334-9.

5. Molliex, A., et al., Phase separation by low complexity domains promotes stress granule assembly and drives pathological fibrillization. Cell, 2015. 163(1): p. 123-33.

6. Buchan, J.R., et al., Eukaryotic stress granules are cleared by autophagy and Cdc48/VCP function. Cell, 2013. 153(7): p. 1461-74.

7. Zhang, G., et al., mTOR Regulates Phase Separation of PGL Granules to Modulate Their Autophagic Degradation. Cell, 2018. 174(6): p. 1492-1506.e22.

8. Sun, D., et al., Polyubiquitin chain-induced p62 phase separation drives