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    3. 焦建偉團隊揭示溶酶體細胞器動力學調控神經發生的現象和機制

        哺乳動物新皮層的發育是一個高度有序的多步驟過程,其中神經干細胞的增殖和分化是皮層的發育基礎。細胞器作為細胞空間區域化和功能特異化的亞細胞結構單位,在真核細胞有絲分裂時存在很多有趣的細胞器行為,例如新舊中心粒存在極性定位,內質網出現膜擴散屏障,線粒體在不同命運的子細胞分別出現裂變和融合現象。目前人們對細胞器水平的動態變化及其生理意義的認識還很有限,其潛在調控機制還有很多未解之處。

        2024年1月8日,中國科學院動物研究所焦建偉研究組在Developmental Cell第59卷第1期發表了題為 Lysosomal dynamics regulate mammalian cortical neurogenesis封面文章。研究團隊觀察到小鼠和人大腦皮層神經發生過程中溶酶體存在不對稱繼承現象,揭示了內吞溶酶體通過不對稱繼承調控轉錄本的選擇性翻譯,發揮維持干性的功能。此外,在分化子細胞中沒有繼承溶酶體,而通過增強自噬產生新生的自噬溶酶體,促進細胞命運重塑。

        為了觀察皮層發育過程中的溶酶體,研究人員首先使用胚胎電轉技術,將溶酶體標記質粒LAMP2-mCherry電轉進E13.5時期皮層細胞中。通過免疫熒光染色和活細胞成像觀察到在放射狀膠質細胞(RGCs)中溶酶體數量較多,中間祖細胞中溶酶體數量減少,新生神經元中溶酶體又變多。進一步通過檢測發現放射狀膠質細胞不對稱分裂過程中,溶酶體偏向繼承于維持干性的細胞中。實驗人員開發LAMP2-mEos4b標記系統驗證RGCs中的溶酶體不對稱繼承,以及中間祖細胞伴隨分化產生新的溶酶體。

        接下來實驗人員對放射狀膠質細胞和中間祖細胞中的溶酶體分型。通過胚胎電轉自噬標記質粒LC3-mCherry-GFP進細胞,觀察到放射狀膠質細胞中的自噬溶酶體較少而中間祖細胞中的自噬溶酶體多。在體外分別在增殖培養基和分化培養基中培養原代神經干細胞,通過免疫印跡觀察到分化培養條件下的自噬水平增多。接下來,通過監測RAB7A-GFP標記的晚期內吞體和LAMP2-mCherry標記的溶酶體之間的融合,實驗人員觀察到放射狀膠質細胞中的溶酶體大多與晚期內吞體共定位。這些結果表明放射狀膠質細胞中的溶酶體主要與內吞過程相關,而分化細胞中溶酶體則與細胞內增強的自噬水平相關。

        那么放射狀膠質細胞中的溶酶體是如何維持細胞干性呢?實驗人員觀察到神經發生過程中mTOR被招募到溶酶體表面形成雷帕霉素復合物1(mTORC1)。溶酶體的不對稱繼承導致子細胞出現mTORC1活性的差異。體內體外實驗均表明,通過mTORC1活性抑制劑Torin1處理抑制了RGCs的增殖,促進神經分化。隨后在研究mTORC1的主要底物4E-BP1的磷酸化水平時,實驗人員發現高水平磷酸化4E-BP1的子細胞維持放射狀膠質細胞的命運,而低水平磷酸化4E-BP1的子細胞與中間祖細胞的細胞命運相關。此外,分化細胞中的磷酸化4E-BP1水平隨分化進程逐漸增強,這與溶酶體體積隨著分化進程逐漸增加是一致的。為確定mTORC1失活的影響,實驗人員用Torin1對原代神經干細胞處理2小時后進行了轉錄組和翻譯組測序分析。主成分分析結果表明抑制劑處理后轉錄組無較大差異,而翻譯組差異很大。翻譯受到抑制的轉錄本在核糖體發生和翻譯相關的生物過程中富集。為確定eIF4E調控哪些轉錄組的翻譯起始,實驗人員進行了RNA免疫沉淀測序(RIP-seq)發現基因富集在與mRNA代謝、DNA代謝、細胞周期調控、翻譯起始和大腦皮層發育相關的過程。這些結果表明在神經發生過程中溶酶體的不對稱繼承導致了mTORC1活性的差異,從而通過調節選擇性翻譯的機制來決定細胞命運。

        實驗人員通過FlashTag追蹤M期細胞結合BrdU標記技術來檢測放射狀膠質細胞和中間祖細胞有絲分裂后子代細胞的命運。結果表明,維持干性的子細胞優先進入S期且S期更長,而分化的子代細胞的S期較短且總體細胞周期較短。在抑制mTORC1活性后,原代神經干細胞處于S期的細胞會減少。另一方面,通過過表達PLEKHM2干擾細胞中溶酶體的定位會導致增加S期細胞的比例,導致IP命運細胞比例減少。這些結果表明溶酶體的不對稱繼承會在轉錄后水平調控在細胞周期進程。

        最后實驗人員還通過人腦類器官模型來研究溶酶體動力學在物種之間的保守性和特異性。實驗結果表明在人和小鼠之中,溶酶體的動態變化是保守的,同時在溝回腦特有的oRG細胞中進化出了特殊的不對稱繼承方式,為人腦的發育機制提供模型。

        綜上,這項研究揭示了這項研究揭示了大腦皮層發育中的溶酶體動力學,并進一步揭示依賴于細胞器行為的細胞命運調控新機制。

        中國科學院動物研究所博士研究生鄒文政,呂妤卿為該論文的共同第一作者。中國科學院動物研究所焦建偉研究員為該論文的通訊作者。該研究獲得科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和北京市等項目資助。

        論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.devcel.2023.11.021

      圖 皮層發育中的溶酶體動態變化

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