无需ATP, 冷凝物助力膜切割, 揭开多囊泡体形成奥秘！

【研究背景】

多囊泡体（MVB）是细胞内关键的内源性结构，因其在细胞质量控制中通过降解膜结合货物蛋白而受到广泛关注。与传统的内源性细胞器相比，多囊泡体在物质运输和细胞内信号传递等方面具有更高的效率和灵活性。然而，尽管ESCRT（内源性小泡形成复合体）是多囊泡体形成过程中的核心机制，但传统的研究主要依赖于ATP消耗的ESCRT蛋白机械装置，这给理解多囊泡体的生物发生带来了挑战。

为此，清华大学方晓峰团队在多囊泡体生物发生机制方面取得了新进展。该团队发现，植物ESCRT附属蛋白FREE1能够形成液态冷凝物，并与膜结合，驱动内腔囊泡的形成。他们采用最小物理模型、重组实验和计算机模拟相结合的方法，深入探讨了这一过程的动态变化，并描述了新生内腔囊泡的中间形态。

通过利用冷凝物润湿引起的线张力和膜不对称性，该团队显著提高了膜切割的效率，成功证明了在缺乏ESCRT机械装置或ATP消耗的情况下，冷凝物能够介导膜的切割。这一发现不仅揭示了一种新的膜切割机制，也为理解多囊泡体的形成提供了重要线索。此外，研究结果表明，冷凝物与ESCRT机械装置之间的相互作用对于植物的渗透应激耐受性至关重要，进一步拓展了多囊泡体在细胞内动态和组织中的基本作用。

【表征解读】

本文通过多种表征手段，包括共聚焦显微镜、FRAP分析、免疫印迹和透射电子显微镜（TEM），深入探讨了ESCRT蛋白在液-液相分离（LLPS）中的功能与机制，揭示了其在细胞内膜系统中的重要作用。通过这些仪器的高分辨率成像，我们发现了FREE1和VPS蛋白在细胞质中形成的凝聚体，进而揭示了在不同盐浓度下这些蛋白的相分离现象。这一发现表明，盐浓度的变化能够显著影响细胞内的蛋白质聚集，从而对膜结构的稳定性与功能产生深远影响。

针对在细胞内观察到的蛋白聚集现象，本文通过FRAP技术对FREE1凝聚体进行微观机理表征，获得了凝聚体内外VPS蛋白的分配系数。这一指标的量化为理解ESCRT蛋白在膜动态和细胞周期中的作用提供了有力支持。此外，免疫印迹分析显示，FREE1的表达水平与细胞的生理状态密切相关，为进一步探讨其在膜结构重塑中的角色奠定了基础。

在此基础上，采用透射电子显微镜对细胞内膜结构进行观察，结果表明在不同条件下，ESCRT蛋白的沉积会导致膜的形态和功能发生变化。这一系列的表征手段结合，使得我们能够深入分析ESCRT蛋白的功能机制，从而探讨其在细胞内的信号转导与膜动态中的重要性。特别是在细胞周期过程中，ESCRT蛋白的相分离与膜重塑之间的联系为理解细胞分裂机制提供了新的视角。

总之，经过多种表征手段的深入分析，本文揭示了ESCRT蛋白在液-液相分离过程中的关键作用，进而为开发新型细胞材料提供了理论基础。这些新材料的制备不仅推动了对细胞内膜系统的理解，也为相关生物技术的应用和发展提供了新的思路。最终，这一研究成果将促进在生物医学领域的应用进步，为细胞工程和合成生物学的发展提供重要的支持。

【图文速递】

图1. FREE1相分离是其发挥功能所必需的。

图2:FREE1冷凝物与膜结合并分割ESCRTs。

图3:FREE1凝析物通过膜润湿介导ILV的生物发生。

图4:FREE1对分离膜的冷凝。

图5:FREE1冷凝对于渗透耐受性是必不可少的。

【结论展望】

本文揭示了植物ESCRT附属蛋白FREE1在多囊泡体（MVB）生物发生中的关键作用，特别是其通过液态冷凝物介导的膜切割机制。这一发现挑战了传统对ESCRT机制的认知，强调了冷凝物的物理化学特性在细胞内膜重塑中的重要性。通过液-液相分离形成的冷凝物不仅可以调节膜的动态变化，还可以独立于ATP消耗和ESCRT机械装置实现膜的切割，说明细胞内过程中的膜重塑机制更加复杂且多样。

在探索细胞内运输和膜重塑的机制时，应关注生物分子冷凝和润湿力等物理现象的影响。这为未来的研究提供了新的视角，可能会发现更多类似的冷凝物介导的生物过程。此外，该研究的成果也为植物在应对渗透应激时的生存机制提供了新的理解，提示我们在生物工程和农作物改良中应考虑如何利用这些机制来提高植物的抗逆性。

文献信息：Wang, Y., Li, S., Mokbel, M. et al. Biomolecular condensates mediate bending and scission of endosome membranes. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07990-0