Mol Cell | 时间轨迹的蛋白组分析揭示神经细胞分化过程中细胞器重塑机制

景杰生物 | 报道

通过细胞自噬等生物学过程去除受损或多余细胞器，是细胞稳态维持的重要途径之一。受损线粒体自噬转化的经典途径是PINK1-Parkin通路，但有研究发现缺乏PINK1的报告小鼠在高代谢需求组织（如神经）中并没有显示出明显的线粒体自噬通量损失[1]。由此引出一个问题：线粒体自噬受体何时、何地以及如何发挥功能？

2021年10月25日，专业学术期刊Molecular Cell发表了题为“Temporal proteomics during neurogenesis reveals large-scale proteome and organelle remodeling via selective autophagy”的文章。研究运用TMT标记的蛋白质组学分析揭示了神经发生过程中蛋白组和膜结合细胞器的广泛重塑。结果表明了BNIP3L蛋白在编程线粒体自噬通量中的核心作用，并为阐明细胞分化过程中细胞器重构和自噬是如何改变蛋白质组提供了新的见解。

一、iNeurons分化过程中诱导了PINK1独立的自噬

研究发现人类胚胎干细胞（hESCs）通过NGN2分化为iNeurons的过程中，伴随着独立于PINK1的线粒体自噬。为了解该过程中蛋白质组是如何重构的，并寻找潜在的线粒体自噬因子，研究人员对其蛋白质组进行深入的动力学和定量分析。研究者共量化了近10,000种蛋白质，并检测了其时间过程“轨迹”（见下图）。

图. hESCs转化为iNeurons的蛋白质组学工作流程

研究人员在hESCs到iNeurons的转化中，观察到参与糖酵解和氧化磷酸化的蛋白质的大规模重构。有趣的是，这其中的许多变化发生在NGN2诱导后第4天线粒体自噬通量增加之前，表明iNeurons分化过程中发生了能量产生机制的重编程。在检测与蛋白质和细胞器稳态相关的蛋白时，研究人员观察到在神经发生过程中，许多伴侣基因和自噬相关基因都增加了，从而验证了iNeurons分化过程中蛋白质稳态系统的动态重构。

二、蛋白质组学揭示BNIP3L是线粒体自噬受体

考虑到iNeurons分化过程中线粒体自噬的诱导是独立于PINK1，研究人员重点检测了线粒体蛋白质组的重构，尤其是动态调控的线粒体自噬调节因子BNIP3L。BNIP3L被报道在红细胞发育过程中发挥消除线粒体的作用。通过PRM靶向蛋白质组学对BNIP3L进行绝对定量，结果证实了BNIP3L的诱导表达，在第4天的水平明显增加并接近最大维持水平（见下图）。进一步使用CRISPR-Cas9删除PINK1^-/- hESCs中的BNIP3L后，细胞在整个时间过程中都不能诱导线粒体自噬。表明BNIP3L是iNeurons分化过程中线粒体自噬的主要调控因子。

图. NGN2驱动分化过程中PINK1独立的自噬受体的相对表达水平

三、蛋白质组学揭示了在神经发生过程中多个细胞器的选择性自噬

为进一步分析在NGN2驱动的分化过程中BNIP3L在线粒体自噬中的作用，研究人员对不同细胞的总蛋白质组进行全面分析，结果发现缺乏功能性BNIP3L的细胞经历了预期的分化程序，但线粒体蛋白在第4天就出现了明显的倾斜。与对照组相比，BNIP3L^-/-和BNIP3L^LW36A/L39A细胞的线粒体蛋白相对丰度特异性增加，并保持到第12天（见下图），而其内质网、高尔基体、溶酶体标记物和核糖体蛋白的相对丰度都没有统计学改变。

图.BNIP3L依赖的蛋白质组分析揭示了线粒体重构的特异性

另外，为了了解分化过程中自噬在细胞器稳态中的作用，研究人员进一步对ATG12^-/-细胞的蛋白质组进行分析，结果显示相较BNIP3L^-/-细胞，ATG12^-/-细胞对蛋白质组重构的影响明显更大。主要表现在（见下图）：（1）ATG12^-/-细胞在第12天显示线粒体丰度明显增加；（2）许多统计学改变的蛋白质是核心自噬分子(ATG5, RB1CC1, and ATG16L)或自噬受体(GABARAPL2, CALCOCO1, CALCOCO2, and TAX1BP1)。这表明在快速分裂的ATG12^-/-hESC中，一般自噬通量会略有减少；（3）内质网和高尔基体，在第4天和第12天都显示出丰度的显著增加。这些数据表明，神经元分化与多个细胞器的实质性重塑有关，包括内质网、高尔基体和线粒体，其依赖于典型自噬，而神经元转变过程中的线粒体重构则依赖于BNIP3L。

图. 在NGN2驱动的分化过程中ATG12依赖的蛋白质组重构

综上所述，研究人员通过蛋白质组学分析揭示了在NGN2驱动的神经发生过程中多细胞器的广泛重塑，确定了BNIP3L是线粒体自噬受体之一，并为阐明细胞器重构和自噬在细胞状态变化过程中是如何改变蛋白质组提供了新的资源。

值得一提的是，该研究观察到hESCs到iNeurons的转化中参与糖酵解和氧化磷酸化的蛋白质的大规模重构，以及iNeurons分化过程中蛋白质稳态系统的动态重构。众所周知蛋白质翻译后修饰，尤其是乳酸化、巴豆酰化、3-羟基丁酰化等新型酰化修饰与细胞能量代谢密切相关。翻译后修饰在细胞分化与神经调控中的作用亟待进一步研究。

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参考文献：

1. McWilliams TG., et al., 2018, Basal Mitophagy Occurs Independently of PINK1 in Mouse Tissues of High Metabolic Demand. Cell Metab.

2. Ordureau A., et al., 2021, Temporal proteomics during neurogenesis reveals large-scale proteome and organelle remodeling via selective autophagy. Mol Cell.

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