嘿！你對細胞間通訊還僅停留在囊泡運輸嗎？非也，細胞器是動態互作的整體。本期我們就一起來了解下膜接觸位點 (MCS)、運輸機制及其銜接蛋白的鑒定，當然還有幾種細胞器間的相互作用，以及細胞互作的表征。干貨滿滿，速來！

首先，問大家一個問題：“你知道各個細胞器間是如何通信的嗎？"

圖源: Nature. 2019 Mar;567(7747):162-164.

很長一段時間里，人們認為，大多數細胞內的物質輸送都是通過名為囊泡的泡狀囊來實現的。這些囊泡就像“快遞員"一樣，將物質包裹起來，從一個細胞器運送到另一個細胞器。諾，就是下面這些：

詹姆斯·羅斯曼 (James E. Rothman)、蘭迪·謝克曼 (Randy W. Schekman) 和托馬斯·聚德霍夫 (Thomas C. Südhof) 3 位科學家也因發現囊泡轉運機制——細胞中的主要運輸系統——被授予 2013 年諾貝爾生理學或醫學獎。

然而，細胞器的功能遠比科學家預想的要復雜得多。

因為！細胞器并非是孤立的，而是作為動態互作的整體。所有細胞器之間都存在功能性的緊密接觸，這些接觸通常被稱為膜接觸位點 (MCS)^[2]。

膜接觸位點 (Membrane contact sites, MCS)：指兩個細胞器在不發生膜融合前提下的緊密相互作用區域 (通常在30-50 nm以內，但有時更遠）。將細胞器固定在 MCS 處的蛋白質復合物可以插入 MCS 處的細胞器內部，也可以與相對膜上的蛋白質或脂質結合。這些復合物通常被稱為系鏈，除了物理連接之外，它們在這些位點通常還具有其他功能，例如內質網-線粒體接觸位點促進 Ca2? 轉移、線粒體分裂、細胞內信號傳導和脂質代謝。

膜接觸位點 (MCS) 在膽固醇和其他脂質在細胞區室間的非囊泡轉運中起著核心作用。這種轉運需要一種稱為脂質轉運蛋白 (LTP) 的蛋白質，其特征是能夠在體外促進膜間的脂質交換。

LTP 家族結構多樣，但其作用機制大致可分為兩類：脂質穿梭轉運蛋白和形成脂質通道的蛋白。大多數穿梭轉運蛋白在一個疏水裂隙或溝槽中結合單個脂質單體。在某些情況下，結合的脂質還被一個蓋結構域屏蔽，使其與水相隔絕。這些 LTP 可以從膜中提取脂質，將其轉運穿過水相，并遞送到另一膜 (圖 3A)。許多 LTP 還具有輔助結構域，使其定位到接觸位點。

近幾年，人們發現了一類新的脂質轉運蛋白 (LTP) 家族，其作用機制似乎有所不同。該家族中的蛋白質被稱為 Vps13 樣蛋白或重復 β-溝槽 (RBG) 基序橋狀蛋白，它們被認為能夠形成大型 (10-25 nm) 的剛性結構，該結構具有貫穿整個蛋白質長度的疏水溝槽 (圖 3B)。

此外，磷脂酰肌醇 (PIP) 及其前體在膜接觸位點 (MCS) 的運輸需要在這些位點發揮作用的脂質轉運蛋白 (LTP) (圖 3C)。

隨著細胞器之間接觸位點的逐步揭示，我們對細胞器功能及其整合運作方式也有了新的認識，許多銜接蛋白已被鑒定，但肯定還有更多有待發現！

細胞器膜接觸位點的存在表明，定位于兩個不同細胞器的因子可以聚集在一起，協同參與細胞器的附加功能^[5]。接下來，我們一起來看幾種常見的細胞器互作~

細胞器的相互作用通常發生在膜接觸位點 (MCSs)，其中以膜性細胞器內質網最為核心。同時，線粒體-內質網是最早被觀察到也是研究最多的細胞器互作類型，通過熒光顯微鏡和電子顯微鏡可以觀察到內質網和線粒體在多個接觸位點連接在一起形成特定區域，稱為線粒體-內質網相關膜 (Mitochondriaassociated membrane，MAM)^[2]。

雖然內質網和線粒體膜緊密接觸形成特定的接觸位點，但兩個細胞器并不融合，其結構、功能和特性都得到了保留。

圖 5. 大鼠肝細胞中存在豐富的內質網-線粒體接觸位點^[2]。

MAM 是對細胞生理條件十分敏感的一種高度可變的動態結構，其在動態過程中保持正常的形態結構依賴于某些作為物理連接的蛋白質分子，主要包括鈣離子通道 IP3 受體 (IP3R)、分子伴侶葡萄糖調節蛋白 75 (Grp75)、內質網-線粒體相遇結構復合體 (Endoplasmic reticulum mitochondria encounter structure,ERMES) 以及線粒體融合蛋白 2 (MFN2) 等。此外, MAM 內還含有其他多種蛋白，與協調 Ca²⁺ 轉移、ROS 的產生、凋亡誘導以及脂質代謝相關 (圖 6)。

除了線粒體，內質網與作為分泌途徑中央分選和加工站的高爾基體、以及在細胞內吞、胞吐和自噬作用等過程中發揮重要作用的溶酶體也存在相互作用 (圖 6）。

圖 6. 內質網-細胞器膜接觸位點 (ＭＣSs) 蛋白分子機制圖^[5]。

 

 

超高分辨熒光成像實驗還揭示了內質網對線粒體的形態構造的調控作用，線粒體與內質網接觸區域表現出明確的收縮，為后續線粒體的分裂鋪墊^[6]。

 圖 7.  A. 線粒體 (綠色) 和內質網 (洋紅色) 的接觸；B. 僅線粒體綠色通道。白色箭頭指示線粒體和內質網接觸位點的線粒體收縮和分裂^[6]。

線粒體和溶酶體調控著眾多生物學過程，這些過程對于維持營養和代謝穩態以及細胞整體活力至關重要。研究表明，與之前研究過的其他細胞器類似，線粒體和溶酶體也會通過特殊的膜接觸位點 (MCS) 進行通訊，這些位點被稱為線粒體-溶酶體接觸(Mitochondria-lysosome contacts，MLC），它們促進彼此間的動態相互作用，而無需膜融合。

通過 MLC 進行的信號整合參與了關鍵過程，包括線粒體的分裂和動態變化，以及鈣、膽固醇和氨基酸的交換。

圖 8. 在出芽酵母中，線粒體 (M) 與溶酶體等效液泡 (v) 形成 MCS^[2]。

此外，線粒體-溶酶體相互作用功能障礙也會導致疾病發生。線粒體和溶酶體的相互作用是控制線粒體質量的重要環節。當自噬過程受阻時，胞內能量轉化失衡，ROS 含量上升，細胞受到嚴重的氧化應激刺激導致死亡，該過程發生在神經元細胞中導致神經退行性疾病如 AD、PD 的發生，發生在胰島 β 細胞中則會影響胰島素分泌導致肥胖及胰島素抵抗。

細胞器互作短暫迅速且相當微觀，即使知道其存在，想要實現表征也并不容易，下面我們通過圖像和表格來對比以下幾種主流方式的優缺點。

下面讓我們來看一例 MCE 產品標記細胞器的文獻實操。Su 等人報道了短鏈?；?COA 脫氫酶 (short-chain acyl-CoA dehydrogenase, SCAD) 通過乙酰輔酶 A 依賴的脂噬通路加速衰老相關的肝臟脂肪變性，文中使用 BODIPY 493/503 (HY‐W090090) 和 LysoTracker Red (HY‐D1300) 分別對 HepG2 細胞中的脂滴和溶酶體進行標記和共定位分析。

MCE 提供各類細胞器熒光標記染料，可以滿足對不同細胞器的多通道染色需求，助力您的研究。

隨著細胞器互作的研究深入，相信會有越來越多的 MCSs 會被發現，通過對疾病狀態下 MCSs 介導的細胞器互作變化的研究，可以進步深入的闡明疾病發生發展的機制，發現相關的調控靶點，對于新藥開發、臨床治療和預防有重要意義。

 

[1] Hsu, Victor W et al. The evolving understanding of COPI vesicle formation. Nat Rev Mol Cell Biol. 2009 May;10(5):360-4.

[2] Voeltz, G K et al. Making the connection: How membrane contact sites have changed our view of organelle biology. Cell. 2024 Jan 18;187(2):257-270.

[3] Wozny, Michael R et al. In situ architecture of the ER-mitochondria encounter structure. Nature. 2023 Jun;618(7963):188-192.

[4] Shai, Nadav et al. Systematic mapping of contact sites reveals tethers and a function for the peroxisome-mitochondria contact. Nat Commun. 2018 May 2;9(1):1761.

[5] 黃淑貞,王廣基,謝媛.細胞器互作分子機制及其在疾病發生發展中的作用[J].中國藥科大學學報, 2019, 50(4):8.

[6] Guo, Yuting et al. Visualizing Intracellular Organelle and Cytoskeletal Interactions at Nanoscale Resolution on Millisecond Timescales. Cell. 2018 Nov 15;175(5):1430-1442.e17. 

[7] Wong, Yvette C et al. Mitochondria-lysosome contacts regulate mitochondrial fission via RAB7 GTP hydrolysis. Nature. 2018 Feb 15;554(7692):382-386. 

[8] Weigel, Aubrey V et al. ER-to-Golgi protein delivery through an interwoven, tubular network extending from ER. Cell. 2021 Apr 29;184(9):2412-2429.e16.

[9] Deng, Dan et al. Aging-induced short-chain acyl-CoA dehydrogenase promotes age-related hepatic steatosis by suppressing lipophagy. Aging Cell. 2024 Oct;23(10):e14256.