内质网管状网络的生理功能研究

The endoplasmic reticulum (ER) is an important organelle that involves in protein synthesis, lipid synthesis and calcium storage. Morphologically, the ER can be divided into tubules and sheets, which are constantly fusing and remodeling. The ER thus becomes a valuable model for investigating the connection between membrane dynamics and their functions. The formation of the ER network requires homotypic membrane fusion between ER tubules, a process that is mediated by a class of membrane-bound GTPases named atlastin. Regulation of ER fusion, and the corresponding morphological and functional change of the ER are thus critical for understanding the physiological significance of the tubular ER network. In this project, we will first isolate tubular ER fractions, and identify components that are enriched in ER tubules. We will then analyze the change of the tubular ER proteome, using ER fusion-defective cell lines and mouse model. Based in-depth analysis of preliminary data, we aim to investigate ER-related membrane trafficking and organelle contact to elucidate the main functions of the tubular ER network. These results will provide new insight into other cellular membrane dynamics.

内质网是重要的膜性细胞器之一，是蛋白合成、脂质合成、以及钙离子存储等的关键场所。从形态来说，内质网可分为管状和片状两种结构，并具有高度的动态性，会不断的融合重构。因此，内质网已成为研究生物膜结构功能与动态调控的重要对象。 内质网管状网络的发生依赖同源膜融合，我们的前期研究证明这个过程是由atlastin蛋白家族来完成的。通过膜融合的调控研究内质网管状网络形态变化，以及相应的功能变化，将成为阐明其生理功能的关键。本项目计划从内质网管状网络的分离和蛋白质组分析出发，筛选鉴定富集在内质网管状网络的蛋白因子，并通过构建内质网膜融合缺陷的细胞和小鼠模型，全面分析比对形态变化导致的蛋白质组变化。在对前期研究积累的深入分析后，我们计划围绕内质网相关的膜运输，以及内质网参与的细胞器接触等方面，深入研究管状网络发挥的主要生理功能及其机制。这些结果将为理解细胞质膜及其他内膜系统的动态功能提供基础和新的思路。

内质网是研究生物膜结构功能关联与动态调控的重要对象。本项目紧扣计划任务，以内质网融合蛋白ATL和管状曲度稳定蛋白为着眼点，围绕管状网络的生理功能展开了系统的研究，取得了多项突破性进展。我们首先通过内质网管状结构的分离和定量质谱，确立了管状结构中富集的蛋白质组分。基于这些蛋白质的功能分类，我们推测内质网管状网络主要参与膜转运、脂质合成代谢、细胞器互作和应激信号等关键生命活动。此后，我们深入阐明了内质网管状网络调控基于细胞器互作的钙信号，发现内质网融合蛋白ATL影响STIM-Orai联合介导的钙库操控钙内流，且内质网钙库感应蛋白STIM会先后结合质膜上Orai的氮碳两端序列，以实现内质网-质膜对接及钙通道的门控。我们还发现ATL通过介导管状结构之间的拴链来维持内质网内蛋白的流动性，以促进COPII囊泡介导内质网蛋白输出的有效分选和包装，而管状曲度稳定蛋白又与间隔丝骨架协作调控FIT2介导的早期脂滴新生。最终，我们利用转基因小鼠模型，确立了ATL2在小脑发育过程中特异的必要性，进一步验证了内质网管状网络塑形的不可或缺。另一方面，我们借助此前对ATL融合机制的扎实研究基础，深入揭示了同为发动蛋白超家族介导的线粒体内外膜融合的机制模式，这一系列研究也使我们在同源膜融合和细胞器塑形机制方面取得国际领先。总体来说，我们的这些研究结果从钙信号、膜接触和膜转运等多个层面呈现了内质网管状网络的重要生理意义，为理解线粒体及其他内膜系统关键细胞器的动态调控与生理功能提进了重要的基础和新的思路。