核膜与内质网、线粒体互作及功能研究

Nucleus is the largest organelle in eukaryotic cells, which contains most of the genetic material required for the growth, development and functions of cells, tissues and individuals. The endoplasmic reticulum is responsible for the synthesis of proteins and mitochondria as the energy plant within the cell. In the process of cell cycle division, all three organelles were interrelated with each other and their morphology changes dramatically. Thus, the study of the function and regulation mechanism of the relationship between them has always been the forefront of the field of biology research. In the past, we have done a lot of pioneering research on the dynamic change, composition change and function abnormality of nuclear peripheral structure. This project aims to study the interaction between nuclear envelope and endoplasmic reticulum and mitochondria through 3D transmission electron microscopy, FIB, BiFC system and ultra-resolution microscopic imaging. By mass spectrometry-driven proteomics analysis, we aim to find out the key regulators for contact construction and information communication between NE and ER, as well as NE and mitochondria. Our study will also help to understand how these membranes contacts regulate membrane-related human diseases such as HGPS and EDMD, which has important theoretical significance and potential clinical application value.

细胞核是高等真核细胞中最大的细胞器，包含细胞和个体发育及功能维持所需要的几乎所有遗传物质；内质网主要负责蛋白质合成与分选；线粒体则作为细胞内的主要能量工厂，为细胞代谢提供能量。在细胞周期过程中，三者不仅各自独立执行相应功能，且密切互作，协调细胞的生长代谢。在细胞周期中，三者形态均出现剧烈变化与重塑。研究它们之间的互作以及调控机制，一直是细胞生物学领域最前沿的课题之一。我们以往在研究核外周结构动态变化、成分和功能等方面已做了不少开创性研究工作。本项目拟通过3D透射电镜技术、FIB、BiFC系统和超高分辨显微成像等手段深入研究核膜、内质网和线粒体之间的互作关系以及调控机制，完善细胞器之间互作网络；利用蛋白质质谱数据分析筛选，探索在核膜-内质网、核膜-线粒体、内质网-线粒体等互作的建立和维持的关键分子及其作用机制，同时为核膜相关疾病如早老症等的治疗提供理论依据。该项目具有重要的科研理论意义。

在细胞分裂过程中，细胞核膜-内质网-线粒体这种三联互作的内膜系统的形态结构会发生规律性的剧烈变化，大部分的膜结构都会经历解聚再重建的周期变化。那么膜系统之间的接触区域是否也有相应的变化规律，内膜系统的形态变化是否受细胞周期激酶系统的调控，以及其是否对于细胞周期的进行存在反馈调控等，目前仍然缺乏相关的研究。细胞核膜的结构功能异常会导致一系列的重大疾病，其中早老症（HGPS）是一种由核纤层蛋白LMNA的突变蛋白Progerin所引起的加速性衰老疾病，并伴有细胞核形态异常、异染色质丢失等表型，但Progerin的致病机理并不清楚。本项目从“以细胞核为中心的膜系统互作机制和功能探究”的角度出发，探索细胞周期进程中核膜-内质网-线粒体互作的动态变化和生理功能，并利用早老症患者的原代细胞以及早老症小鼠疾病模型，探究Progerin如何加速细胞衰老和成体衰老，并以此为基础寻找早老症新的治疗靶点。.在过去四年，本项目总体进展顺利。我们首次发现细胞分裂期的内质网与线粒体建立连接的现象与功能，鉴定到了负责分裂期线粒体与内质网互作的绳索蛋白LBR，阐明了由LBR所建立起来的内质网与线粒体之间的互作对于分裂期的线粒体的钙离子的摄入是必需的，并进而调控了细胞分裂期的氧耗及能量的产生。其次，我们发现核纤层蛋白Lamin C可以通过相分离促进细胞氧化应激下的DNA损伤修复进程，使得我们进一步了解细胞对氧化应激的调控机制。再次，我们也阐明了Progerin造成早老症细胞染色体丢失的分子机制，并筛选出可以延缓衰老的全新小分子，为早老症的治疗提供新的可能。最后，我们鉴定出Hedgehog信号通路相关蛋白Sufu作为中心体复制和DNA复制的上游调控蛋白，并初步阐述了Sufu蛋白通过膜泡释放调控中心体复制起始和DNA复制起始的分子机制，为解释细胞周期中中心体和DNA复制的协同调控提供了初步的理论基础。