致密核心囊泡成熟的分子机制研究

The molecular mechanisms for keeping intracellular traffic running smoothly has been considered as one of the most important scientific questions. In neurons, endocrine and exocrine cells, hormones and neuropeptides destined for release are collectively assembled into a specialized organelle, namely dense core vesicle (DCV), and delivered through the cytoplasm toward the cell periphery by vesicular trafficking for exocytosis after stimulation. Hormones and neuropeptides play critical roles in various biological processes, including metabolism, development, pain, learning and memory, and they are highly related to a few of serious diseases such as diabetes, Alzheimer disease, and Parkinson's disease, so understanding the transport pathway and molecular mechanisms of DCV is an issue of great importance. In this project, we will focus on the early process of DCV, and investigate the molecular mechanisms and dynamic of DCV biogenesis and maturation from three parts: 1) the composition and dynamic of proteins and lipids implicated in the DCV biogenesis and maturation; 2) new factors and their molecular mechanisms involved in the homotypic fusion of immature DCV; 3) the molecular mechanisms of phosphatidylinositol involved in the DCV biogenesis and maturation.

保持细胞内运输畅通的机制一直是生命科学领域的关键科学问题之一。蛋白质和多肽在细胞内的运输主要是通过一种称为致密核心囊泡（Dense Core Vesicle, DCV）的特殊细胞器完成的。DCV的主要功能是储存和分泌包括肽类激素和神经肽在内的肽类信号分子。由于肽类激素和神经肽参与调控多种重要的生物学过程（如：代谢、发育、睡眠、情绪、疼痛、学习与记忆等），与多种疾病的发生发展密切相关（如糖尿病、阿尔茨海默病和帕金森综合症等），因此对DCV在细胞内的分子路径和调控机制的研究具有重要的科学意义和现实需求。本项目中，我们将以DCV的早期事件为着眼点，从以下三个方面解析DCV生成和成熟过程中生物膜动态变化的分子机制：1) DCV生成和成熟过程中蛋白质分子和脂质分子的组成和动态变化；2) DCV同型融合过程中新的调控因子及其作用机制；3) DCV生成和成熟过程中磷脂酰肌醇的作用机制。

致密核心囊泡是一种进化上保守且功能重要的细胞器，主要负责储存和分泌蛋白质和多肽，与多种重大疾病（如：糖尿病、神经退行性疾病等）的发生发展密切相关，但是目前对其生成和成熟过程中的膜及其组成的动态变化、关键调控因子及其作用机制等还知之甚少。本项目聚焦此前沿科学问题，紧密围绕既定研究目标，严格按照研究计划开展，圆满完成了既定任务，通过发展新的技术方法揭示了致密核心囊泡生成和成熟过程的新机制，达到了预期目标。.本项目发展了蛋白质相关性分析方法并解析了致密核心囊泡生成和成熟等不同阶段蛋白质组的动态变化，揭示了VAMP4和WFS1调控致密核心囊泡生成和成熟过程的分子机制，开发了基于深度学习的细胞器互作高通量分析系统并用于解析细胞内膜互作和变化的定量信息，发展了一种基于全卷积神经网络的深度学习分割算法以自动精确地分割电镜图像中的致密核心囊泡。同时，我们也发展了多种新的成像技术和探针用于阐明致密核心囊泡不同阶段的蛋白质和脂质分子的动态变化，包括提出了一种基于激光干涉条纹定位成像的新技术并据此研制出新型单分子干涉定位显微镜，进一步开发了一种轴向单分子定位成像新技术并据此研制出新型干涉定位显微镜，开发了一种可耐受锇酸固定和环氧树脂包埋的新型光电关联超分辨成像荧光蛋白探针mEosEM等。.项目资助的研究成果相继发表在Nature Methods（3篇），Journal of Cell Biology（2篇），Science Advances，Nature Communications（2篇），Nucleic Acids Research，Structure，Protein Cell（4篇），Biophysics Reports（3篇），ACS Appl Mater Interfaces等国际知名期刊，共发表论文18篇，其中影响因子大于10的文章14篇。申请发明专利9项。培养博士生14人，硕士生1人，博士后4人，青年科技人才1人。在项目执行期间，项目负责人多次受邀在国际和国内会议上做特邀大会报告，项目负责人和成员开展了广泛和富有成效的国际、国内学术合作与交流。