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自噬PLUS版:聚集体自噬(aggrephagy)
探索生命空间,助力基础研究

PREFACE 00

前言

自噬研究做到现在,单纯证明“LC3-II升高、p62下降、加氯喹以后LC3-II进一步积累”,已经很难形成特别有辨识度的机制。

一个更值得往下走的方向,是选择性自噬。

线粒体可以通过线粒体自噬被选择性清除,受损溶酶体可以进入溶酶体自噬,内质网也有自己的选择性清除机制。蛋白质质量控制里,同样存在一条针对异常蛋白聚集体的选择性自噬路线,就是聚集体自噬(aggrephagy)。

这个方向和普通“研究自噬”最大的差别,在于研究对象已经从整个自噬系统,进一步缩小到一个具体货物:异常蛋白聚集体。

细胞每天都会产生错误折叠蛋白。单个或者仍然保持可溶状态的异常蛋白,很多可以交给泛素—蛋白酶体系统处理。问题出现在蛋白质开始形成寡聚体、聚集体甚至更大的包涵体以后。体积不断增大,结构越来越稳定,蛋白酶体很难再像处理普通蛋白那样逐个降解。

这时细胞需要启动另一套处理逻辑。

先识别哪些结构属于需要清除的异常聚集体,再通过p62/SQSTM1、NBR1、TAX1BP1、OPTN、CCT2等不同类型的货物识别和自噬衔接机制,把聚集体与自噬系统连接起来,随后由自噬膜包裹并送往溶酶体降解。

近年来这个方向又多了一层变化。

过去很容易把聚集体想成一个已经形成的大块垃圾,只要自噬体足够强就能直接把它吞进去。现在越来越值得研究的是,大型聚集体在真正进入有效清除以前,可能还需要经历重新组织、浓缩、转运甚至碎片化。聚集体究竟是液态凝聚体、凝胶样结构还是高度固化的蛋白团块,也会影响细胞选择什么方式处理它。

所以aggrephagy真正有价值的地方,已经不只是“自噬能清除聚集蛋白”。

更有意思的问题是:细胞怎样识别一块异常蛋白,怎样决定它应该送给蛋白酶体还是自噬,聚集体太大以后怎样处理,为什么有些聚集体可以被迅速清除,有些却会在神经元、肌细胞和衰老组织里积累数年。

这一层如果做清楚,聚集体自噬就能从普通自噬文章,继续进入蛋白质稳态、细胞器质量控制、神经退行、衰老、肿瘤耐药和慢性组织损伤。

导读

一、聚集体自噬到底是什么

二、为什么异常蛋白聚集以后需要另一套清除系统

三、蛋白酶体和aggrephagy到底怎样分工

四、蛋白聚集体和aggresome不能混成一个概念

五、聚集体是怎样被自噬系统识别的

六、p62为什么几乎绕不开,却又不能只看p62

七、NBR1、TAX1BP1、OPTN和CCT2说明了什么

八、聚集体的物理状态为什么开始变得重要

九、大型聚集体为什么可能需要先“拆小”再清除

十、溶酶体能力决定aggrephagy最后能不能真正完成

十一、神经退行性疾病为什么最适合研究聚集体自噬

十二、心肌和骨骼肌疾病为什么也很值得做

十三、肝脏、代谢和衰老研究可以从什么角度切入

十四、肿瘤为什么可能同时依赖和逃避aggrephagy

十五、哪些前期结果最适合向聚集体自噬延伸

十六、聚集体自噬模型应该怎样建立

十七、怎样证明“聚集体真的被自噬送进了溶酶体”

十八、聚集体究竟应该怎样定量

十九、怎样证明某个自噬受体真正参与了aggrephagy

二十、聚集体自噬目前还有哪些值得做的创新问题

二十一、聚集体自噬研究最常见的实验设计误区

二十二、一套完整的aggrephagy研究路线怎么设计

二十三、博恩生物可以为聚集体自噬研究提供哪些实验支持

SECTION 01

01

聚集体自噬到底是什么

1、它属于选择性自噬

经典宏自噬可以在营养缺乏等情况下相对广泛地吞噬胞质成分。

聚集体自噬则具有明确货物指向。

它主要负责识别和清除异常蛋白聚集体,因此属于选择性宏自噬的一种。

这里的“选择性”很重要。

如果一个实验只是看到饥饿以后LC3增加,同时细胞内某个聚集蛋白有所下降,只能说明增强自噬可能影响聚集蛋白稳态。

真正的aggrephagy还需要继续回答:

这块聚集体是怎样被识别的,又是谁把它连接到LC3/GABARAP和自噬膜上的。

2、aggrephagy处理的也不只是“一个异常蛋白”

蛋白质聚集往往经历连续过程。

错误折叠蛋白可以先形成小型寡聚体,随后不断聚合,逐渐变成更大的不溶性聚集体,有些还会进一步集中到核周区域形成包涵体样结构。

这些不同状态的毒性和清除方式并不完全相同。

因此研究aggrephagy时,最好不要只用“聚集蛋白增加”概括所有结果。

聚集体大小、溶解性、亚细胞位置和物理状态,都会影响后续机制。

3、它研究的是整个蛋白质质量控制系统

真正完整的聚集体自噬研究,通常至少涉及四个阶段。

异常蛋白先发生错误折叠和聚集,随后被细胞识别和集中,再与自噬系统建立连接,最后进入溶酶体完成降解。

任何一个阶段出问题,最终都可能表现成“聚集体增加”。

所以看到模型组聚集体增多,并不能直接判断aggrephagy下降。

可能是聚集形成速度太快,也可能是识别失败、自噬运输受阻或者溶酶体已经没有足够降解能力。

SECTION 02

02

为什么异常蛋白聚集以后需要另一套清除系统

1、细胞每天都在产生错误折叠蛋白

蛋白质合成、折叠和组装本身就存在一定错误率。

氧化应激、高温、缺氧、突变、翻译错误和蛋白质修饰异常,又会进一步增加错误折叠。

正常情况下,分子伴侣先尝试帮助蛋白重新折叠。

无法恢复的异常蛋白再进入降解系统。

2、单个错误蛋白和大块聚集体不是同一种货物

一个可溶性错误折叠蛋白体积很小,可以被展开并进入蛋白酶体完成降解。

多个异常蛋白彼此黏附以后,结构会逐渐变大。

到了高度聚合状态,蛋白酶体很难把整块聚集体直接送入自己的降解腔。

此时自噬体能够通过膜结构将较大的胞质货物整体隔离,优势就体现出来了。

3、聚集体本身还会继续制造细胞压力

异常聚集蛋白可以结合正常蛋白、干扰细胞骨架和膜结构,也可能影响线粒体、内质网和核质运输。

一些聚集体甚至会继续招募新的异常蛋白,使聚集过程不断放大。

所以aggrephagy的价值不只在于“把垃圾清掉”。

它还承担着阻止蛋白毒性继续扩散的作用。

SECTION 03

03

蛋白酶体和aggrephagy到底怎样分工

蛋白质质量控制里,泛素—蛋白酶体系统和自噬经常被分开研究。

真实细胞中,两者其实高度协同。

1、可溶性和较小异常蛋白通常更容易进入蛋白酶体

异常蛋白被泛素化以后,可以被蛋白酶体识别、展开并逐步降解。

这套系统速度快,也不需要形成大型膜结构。

因此细胞没有必要把所有异常蛋白都送去做自噬。

2、聚集程度提高以后,自噬的重要性逐渐上升

多个错误折叠蛋白形成大的复合体以后,蛋白酶体处理效率下降。

此时细胞可以通过p62等受体把泛素化聚集物进一步组织和集中,再进入aggrephagy。

3、两条系统之间还存在补偿

蛋白酶体被抑制以后,细胞经常出现大量泛素化蛋白积累,并逐渐形成聚集体。

这也是为什么MG132等蛋白酶体抑制剂经常被用来建立蛋白聚集模型。

与此同时,自噬系统可能被进一步调动。

反过来,aggrephagy长期受阻后,蛋白酶体也会面临更高的异常蛋白负担。

4、所以MG132模型尤其需要谨慎解释

MG132可以非常稳定地制造聚集蛋白。

但它同时直接改变了整个UPS系统。

如果候选干预降低MG132诱导的聚集体,还需要进一步判断,它究竟促进了aggrephagy,还是改变了蛋白合成、折叠或者其他应激过程。

因此重要机制最好再使用疾病相关聚集蛋白模型进行验证。

SECTION 04

04

蛋白聚集体和aggresome不能混成一个概念

这是聚集体自噬研究里很常见的概念混淆。

1、蛋白聚集体可以出现在很多位置

胞质中可以存在大量小型分散聚集体。

它们并不一定集中在核周。

2、aggresome是一种更加组织化的聚集结构

当异常蛋白持续增加以后,一部分聚集物可以沿微管向微管组织中心附近运输。

最终在核周形成相对集中的大型聚集结构。

这类结构常被称为aggresome。

HDAC6、微管运输和动力蛋白等机制可以参与这一过程,周围还可能形成明显的中间丝结构。

3、形成aggresome有时反而是细胞的一种保护策略

大量小型聚集体分散在胞质里,可能到处干扰细胞功能。

把它们集中到一个区域,可以暂时降低弥散性毒性,同时提高后续自噬系统处理效率。

所以“aggresome增加”不能简单解释成蛋白聚集一定更加严重。

需要看它形成以后究竟有没有被进一步清除。

4、aggresome也不等于aggrephagy已经发生

聚集物成功集中,只完成了前面的货物组织阶段。

后续还需要形成自噬膜、完成包裹并进入溶酶体。

如果溶酶体功能已经失败,aggresome反而可能长期积累。

SECTION 05

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聚集体是怎样被自噬系统识别的

1、泛素标签是最经典的一类识别线索

大量异常聚集蛋白会被泛素化。

这为选择性自噬受体提供了一个识别入口。

p62、NBR1、TAX1BP1、OPTN等蛋白可以在不同场景中识别泛素化货物,并进一步与ATG8家族蛋白建立连接。

2、自噬受体相当于“货物—运输系统”的连接器

以p62为例,它的一端可以参与识别泛素化货物,另一端具有LC3-interacting region,可以和LC3/GABARAP相关系统发生作用。

于是原本游离在胞质里的聚集体被连接到正在形成的自噬膜。

这也是选择性自噬和普通随机吞噬之间的重要区别。

3、真正的识别机制往往具有明显冗余

细胞很少只依赖一个受体。

一个受体下降以后,其他受体可能部分补偿。

不同聚集蛋白也可能更依赖不同识别系统。

所以单纯敲低p62以后聚集体没有明显变化,不能直接说明aggrephagy不存在。

需要根据具体货物继续判断受体组合。

SECTION 06

06

p62为什么几乎绕不开,却又不能只看p62

p62/SQSTM1是aggrephagy研究最常见的蛋白之一。

原因很清楚。

它既和泛素化货物有关,又能连接自噬系统,同时自身也属于自噬降解底物。

这让p62天然处在蛋白聚集和自噬之间。

1、p62可以帮助聚集蛋白集中

p62具有多聚化能力。

和多聚泛素化蛋白结合以后,可以促进异常蛋白进一步形成更加集中的结构。

这种“先集中再清除”的能力,对于处理大量异常蛋白很重要。

2、p62还可能形成具有液滴特征的凝聚结构

多价泛素链和p62之间的相互作用可以形成动态凝聚体。

这使蛋白质质量控制和近年来热门的生物分子凝聚体研究产生了交叉。

聚集蛋白并非从完全分散状态瞬间变成固体大块。

中间可能存在一系列材料状态。

3、p62升高本身无法判断aggrephagy方向

这是实验中最需要注意的一点。

p62升高可能说明自噬降解受阻,因为p62自己无法被清除。

也可能是细胞应激后p62表达增加。

还可能因为聚集蛋白增多,p62被大量招募。

因此Western blot发现p62升高以后,不能直接写“聚集体自噬增强”或者“聚集体自噬下降”。

必须结合自噬通量和聚集体实际去向判断。

SECTION 07

07

NBR1、TAX1BP1、OPTN和CCT2说明了什么

聚集体自噬真正发展起来以后,一个越来越清楚的认识是:

细胞识别聚集体的方式并不单一。

1、NBR1可以和p62协同处理泛素化货物

两者存在功能交叉,也具有各自的货物偏好。

因此一些聚集体可能同时富集p62和NBR1。

2、TAX1BP1在蛋白毒性压力中具有重要作用

TAX1BP1能够参与聚集货物识别,并连接自噬起始机器。

这说明选择性自噬受体的作用不只停留在“抓住LC3”。

部分受体还能更主动地帮助聚集体周围建立自噬膜。

3、OPTN提示TBK1等信号也可能参与货物处理

OPTN本身还广泛参与其他类型选择性自噬。

它说明不同选择性自噬之间会共享部分受体和调控机制。

4、CCT2进一步提示聚集体识别可以绕开经典泛素逻辑

CCT2被发现可以参与识别特定固态蛋白聚集体,并发挥聚集体自噬受体功能。

这个发现很有意思。

它说明aggrephagy并不一定只能通过“聚集体先泛素化—p62再来识别”这一条路线完成。

聚集体自身的物理状态,也可能成为细胞识别它的重要信息。

这一点为后面的研究打开了很大空间。

SECTION 08

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聚集体的物理状态为什么开始变得重要

过去研究蛋白聚集,最常用的分类是可溶和不溶。

现在已经越来越不够。

1、不同聚集结构具有明显不同材料性质

有些异常蛋白先形成动态液滴状凝聚体。

随着时间延长,内部分子交换下降,结构逐渐向凝胶甚至固态转变。

还有一些蛋白可以形成高度有序的淀粉样纤维。

这些结构对自噬受体和降解系统的可接近性完全不同。

2、一个“太硬”的聚集体可能很难直接被自噬膜处理

自噬膜需要围绕货物弯曲和延伸。

货物过大、过于刚性或者和细胞骨架结合非常紧密,都可能增加包裹难度。

所以聚集体清除能力不仅取决于有多少LC3。

货物本身的材料状态也会决定结果。

3、这一点很适合和相分离研究结合

一个蛋白最初形成液态凝聚体时,可能还有较高可逆性。

继续老化以后逐渐固化,自噬系统处理难度上升。

于是可以提出一个很有意思的问题:

aggrephagy清除聚集蛋白是否存在一个最佳时间窗口?

如果聚集体彻底固化以后再增强自噬,效果会不会已经明显下降?

这个方向在神经退行和衰老研究里尤其值得做。

SECTION 09

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大型聚集体为什么可能需要先“拆小”再清除

自噬体虽然可以处理比蛋白酶体大得多的货物,也存在自己的尺寸限制。

一个非常大的核周包涵体,无法简单理解为整个被一个标准自噬体瞬间吞进去。

近年来越来越值得关注的是聚集体进入自噬前的预处理。

大型聚集体可能先发生结构重塑或者碎片化,产生更容易被自噬系统识别和包裹的小型聚集单元。

分子伴侣、蛋白质量控制机器和蛋白酶体相关机制,都可能参与这一过程。

这带来一个很有价值的新研究框架:

聚集体清除失败,问题未必发生在LC3形成阶段。

真正卡住的地方可能更早。

大块聚集物根本没有被加工成自噬可以处理的货物。

因此看到自噬体数量很多、聚集体却仍然清不掉时,可以继续往“货物预处理”这一层研究。

这比单纯继续提高自噬水平更有深度。

SECTION 10

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溶酶体能力决定aggrephagy最后能不能真正完成

聚集体被自噬体包裹,只完成了运输过程。

真正把这些蛋白变成可以重新利用的小分子,还需要溶酶体。

1、溶酶体酸化和水解酶功能必须正常

如果溶酶体pH异常,或者蛋白水解能力下降,即使大量自噬体形成,聚集体仍然不能真正降解。

2、聚集体负荷过大还可能反过来压垮溶酶体

慢性蛋白毒性疾病中,细胞每天都在不断产生异常聚集物。

当进入溶酶体的货物超过处理能力以后,会形成新的堵塞。

因此自噬体增加和溶酶体负担增加可以同时发生。

3、这也是为什么aggrephagy必须研究通量

只看LC3 puncta多少,很容易把“运输变快”和“后端堵住导致车辆越积越多”混在一起。

真正需要观察聚集货物有没有最终进入酸性溶酶体并消失。

SECTION 11

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神经退行性疾病为什么最适合研究聚集体自噬

蛋白聚集几乎贯穿多种神经退行性疾病。

α-突触核蛋白、Tau、TDP-43、突变SOD1、扩增多聚谷氨酰胺蛋白等,都可以形成不同性质的异常聚集。

1、神经元特别依赖长期蛋白质质量控制

很多神经元终生不再分裂。

一个快速增殖细胞可以通过细胞分裂将部分异常蛋白稀释到两个子细胞。

成熟神经元缺少这条路径。

异常聚集蛋白一旦形成,需要依赖细胞自身的质量控制长期处理。

2、神经元还具有很复杂的空间结构

蛋白聚集可以发生在胞体、轴突和突触。

自噬体形成和溶酶体分布又存在明显空间差异。

因此“聚集体在哪里形成”和“在哪里被清除”可能成为一个独立研究问题。

3、不同聚集蛋白不应该全部使用一套aggrephagy机制

Tau、TDP-43和α-synuclein具有不同结构和亚细胞定位。

哪一种受体负责识别、什么时候形成固态聚集以及对溶酶体依赖程度,都可能不同。

所以神经退行方向很适合从“特定疾病蛋白—特定aggrephagy机制”深入,而不是固定检测p62和LC3。

SECTION 12

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心肌和骨骼肌疾病为什么也很值得做

肌细胞同样属于对蛋白稳态高度敏感的细胞。

尤其心肌细胞需要长期维持精细排列的肌节结构。

异常蛋白一旦聚集,不仅会产生蛋白毒性,还会直接干扰收缩结构。

1、心肌病很适合研究聚集体清除失败

某些遗传性心肌病、蛋白毒性心肌病以及衰老心肌中,可以出现明显异常蛋白沉积。

如果aggrephagy不足,聚集物长期积累以后还可能进一步损伤线粒体和肌节。

2、骨骼肌也存在类似问题

肌原纤维结构非常庞大。

损伤后的肌节蛋白需要先被识别、拆解,再进入后续蛋白质量控制。

因此aggrephagy可以和伴侣辅助选择性自噬、肌原纤维质量控制产生交叉。

3、肌肉研究一定要回到功能

聚集体减少只是第一层。

最终还需要观察心肌收缩、射血功能或者骨骼肌力量是否恢复。

这样才能证明聚集体清除真正改善了疾病。

SECTION 13

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肝脏、代谢和衰老研究可以从什么角度切入

1、肝细胞长期承担大量蛋白合成和代谢压力

药物、酒精、脂毒性和氧化应激都可能造成异常蛋白积累。

某些慢性肝病中还可以出现明显的胞质蛋白包涵结构。

因此肝脏很适合研究蛋白毒性如何逐渐连接到炎症和细胞死亡。

2、代谢压力可以同时损害蛋白折叠和自噬

高脂、ROS和内质网压力会增加错误折叠蛋白。

另一方面,长期代谢异常又可能削弱溶酶体功能。

于是异常蛋白生成增加和aggrephagy下降可以同时出现。

这比简单研究“自噬下降导致脂肪肝”多了一层蛋白质量控制。

3、衰老尤其适合研究“为什么聚集体越来越清不掉”

随着年龄增加,蛋白稳态系统整体下降。

分子伴侣、蛋白酶体、自噬和溶酶体都可能出现效率改变。

因此衰老细胞里聚集体增加,很可能同时包含“生成更多”和“清除更慢”。

可以进一步研究某一种aggrephagy受体或者聚集体预处理机制是否最先出现下降。

这样就能从“老细胞蛋白垃圾变多”继续进入真正的衰老机制。

SECTION 14

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肿瘤为什么可能同时依赖和逃避aggrephagy

肿瘤细胞通常具有很强的蛋白毒性压力。

快速增殖、大量蛋白合成、非整倍体、突变蛋白和缺氧,都可能增加错误折叠蛋白。

所以癌细胞反而高度依赖蛋白质质量控制。

1、aggrephagy可以帮助肿瘤细胞活下来

持续清除异常聚集蛋白,可以降低蛋白毒性,使肿瘤细胞在缺氧、营养缺乏和药物环境中继续生存。

这种情况下,aggrephagy具有促存活作用。

2、治疗后残存细胞尤其值得研究

化疗、靶向药和放疗都会造成蛋白损伤和细胞应激。

一部分没有死亡的残存细胞可能通过提高蛋白质量控制能力熬过治疗。

如果aggrephagy参与这一过程,它就可能成为耐药维持机制的一部分。

3、另一方面,聚集体长期积累也可能影响癌细胞功能

如果异常蛋白聚集达到一定程度,会造成严重细胞毒性。

所以肿瘤中aggrephagy到底是保护还是限制疾病,需要根据具体场景判断。

这一点和很多其他自噬研究一样,不能简单贴“促癌”或者“抑癌”标签。

SECTION 15

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哪些前期结果最适合向聚集体自噬延伸

1、细胞中出现明显不溶性蛋白增加

尤其总蛋白变化不大,但detergent-insoluble fraction明显增加时,很值得继续看蛋白聚集。

2、免疫荧光出现p62/泛素阳性斑点或包涵体

如果模型中能够看到明显聚集结构,可以继续判断它们是否属于aggrephagy货物。

3、蛋白酶体功能变化后出现大量聚集物

此时可以研究自噬是否承担补偿性清除。

4、自噬增强了,但聚集体仍然清不掉

这种结果尤其有意思。

问题可能已经不在自噬起始,而在聚集体识别、碎片化、运输或溶酶体阶段。

5、一个自噬受体改变后出现非常特异的聚集体表型

如果p62、TAX1BP1、NBR1或者其他候选分子改变以后,整体自噬影响有限,但某类聚集蛋白明显增加,就很适合进一步向选择性aggrephagy研究。

SECTION 16

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聚集体自噬模型应该怎样建立

1、最简单的是蛋白酶体抑制模型

MG132等处理可以快速造成泛素化蛋白积累和聚集。

优势是稳定、成模快。

缺点同样明显,它人为关闭了另一条重要蛋白降解系统。

因此适合早期建立现象和筛选机制。

2、疾病相关聚集蛋白模型更有价值

神经退行可以根据疾病选择TDP-43、Tau、α-synuclein、polyQ或者其他异常蛋白。

这样得到的聚集体结构和疾病联系更加明确。

3、最好使用可诱导表达或者脉冲—清除设计

如果异常蛋白始终持续高表达,就很难判断聚集体减少来自“生成下降”还是“清除增强”。

更好的思路是先形成聚集体,再停止继续表达或者撤除诱导。

随后观察已有聚集体的消失速度。

这类设计非常适合研究clearance。

4、模型强度不能只追求聚集体越多越好

过度表达或者极强蛋白毒性可能造成大量死亡。

此时自噬和溶酶体也会出现广泛崩溃。

真正适合aggrephagy研究的是聚集体稳定形成,同时细胞仍然具备相对完整质量控制能力的窗口。

SECTION 17

17

怎样证明“聚集体真的被自噬送进了溶酶体”

这是整个aggrephagy研究最重要的一层。

1、LC3与聚集体共定位只能提供空间线索

聚集蛋白附近出现LC3 puncta,说明自噬结构可能正在接近货物。

它不能证明最后完成了降解。

2、需要观察聚集体进入酸性溶酶体

可以使用LAMP1等溶酶体标志进行空间观察。

更进一步,可以利用具有pH响应特征的聚集蛋白报告系统。

当目标聚集蛋白真正进入酸性环境后,荧光性质发生变化,就能够直接评价lysosomal delivery。

3、阻断溶酶体以后聚集体应该出现相应积累

如果候选干预促进aggrephagy,使聚集体减少。

加入Bafilomycin A1等后端阻断条件以后,这种减少应该受到明显影响。

这能够帮助证明候选药效确实依赖溶酶体降解。

4、同时要证明核心自噬机器是必要的

ATG5、ATG7、FIP200等自噬关键组件受到干预以后,如果聚集体清除能力明显下降,就进一步支持宏自噬参与。

但这一层仍然只能证明“需要自噬”。

要证明aggrephagy,还需要加入货物识别机制。

SECTION 18

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聚集体究竟应该怎样定量

1、总蛋白Western blot通常不够

一个聚集蛋白总量没有变化,却可能从可溶状态转变成不溶聚集状态。

这种情况下普通Western blot很容易漏掉最重要的信息。

2、可溶和不溶组分需要分开

可以进行detergent-soluble和detergent-insoluble fractionation。

观察目标蛋白到底是整体增加,还是主要进入不溶性组分。

3、Filter trap适合检测较大不溶聚集物

大颗粒聚集体难以正常通过膜孔。

利用这一特性可以进行filter trap assay,对聚集物进行相对定量。

4、免疫荧光需要同时看数量和尺寸

单纯统计“有多少个puncta”有时会误导。

一个干预可能把一个巨大聚集体打碎成几十个小聚集体,puncta数量反而增加。

因此最好同时统计:

每个细胞聚集体数量、平均面积、最大聚集体面积、总聚集面积以及聚集体所在位置。

5、核周大型结构需要单独分析

如果项目涉及aggresome,可以进一步记录核周聚集比例和相关标志。

避免把分散聚集和集中聚集简单相加。

SECTION 19

19

怎样证明某个自噬受体真正参与了aggrephagy

假设发现疾病中TAX1BP1下降,同时聚集体增加。

这还只是相关性。

更完整的实验需要继续往下做。

1、先证明受体真正到达目标聚集体

通过免疫荧光或者生化方式观察候选受体是否富集在目标聚集结构周围。

2、干预受体以后观察聚集体清除速度

敲低或者敲除受体后,如果聚集体形成速度差不多,但撤除刺激后的清除速度明显下降,说明它更可能参与clearance。

3、再进行野生型救援

重新表达野生型受体,看聚集体清除能不能恢复。

4、LIR突变非常有价值

如果候选受体需要通过LIR和ATG8家族发生作用,可以构建LIR功能缺陷突变体。

如果野生型能够恢复聚集体清除,LIR突变体却不能恢复,就能够证明受体需要真正连接自噬机器。

5、货物识别结构域也可以进一步突变

如果候选受体依赖泛素结合或者其他聚集体结合区域,可以进一步构建相应突变。

这样可以把“识别货物”和“连接自噬膜”两个功能拆开。

这类结构功能救援,是aggrephagy机制研究很有价值的一层。

SECTION 20

20

聚集体自噬目前还有哪些值得做的创新问题

1、不同大小聚集体是不是使用不同清除方式

小型聚集体可能可以直接进入aggrephagy。

更大的包涵体是否必须先进行碎片化,值得进一步比较。

可以按照聚集体尺寸分组,观察不同尺寸对自噬受体和溶酶体的依赖差异。

2、聚集体从液态向固态转变后,aggrephagy效率会不会突然下降

利用能够发生凝聚和固化的蛋白模型,可以动态观察材料状态变化。

再比较不同阶段的清除速度。

这很适合把相分离和aggrephagy真正连接起来。

3、为什么同一种聚集蛋白在不同细胞中清除效率完全不同

神经元、肝细胞、巨噬细胞和肿瘤细胞拥有不同蛋白稳态系统。

同一个TDP-43或者polyQ构建,在不同细胞中可能形成完全不同的聚集状态。

这种细胞类型差异本身就值得研究。

4、老龄细胞究竟卡在哪一个aggrephagy步骤

是异常蛋白生成变多,受体识别下降,自噬膜形成不足,还是溶酶体处理能力下降?

把整个过程拆成时间链,很容易找到真正的衰老瓶颈。

5、聚集体清除以后细胞功能能不能真正恢复

一些聚集体已经长期存在,并造成线粒体、突触或肌节损伤。

即使后期成功清掉聚集蛋白,周围结构未必立即恢复。

所以“聚集体减少”之后继续研究功能恢复,会比只停在蛋白清除更有疾病意义。

6、aggrephagy是否会主动选择“更危险”的聚集体

不同聚集结构的毒性并不相同。

小型寡聚体有时比大型包涵体更容易和其他细胞结构发生异常相互作用。

细胞是否能够优先识别高毒性聚集形式,是一个很值得继续推进的问题。

7、聚集体和细胞器损伤之间可能存在双向放大

蛋白聚集可以损伤线粒体和溶酶体。

受损线粒体又会增加ROS,使蛋白错误折叠进一步加重。

溶酶体受损则直接降低aggrephagy能力。

这样很容易形成持续蛋白毒性循环。

把aggrephagy和线粒体、溶酶体质量控制放到同一条机制里,会比单独再测一次LC3更有层次。

SECTION 21

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聚集体自噬研究最常见的实验设计误区

1、聚集蛋白减少就直接解释成aggrephagy增强

蛋白表达、折叠和蛋白酶体降解都可能改变。

2、LC3-II升高就定义聚集体自噬增强

LC3反映的是整个宏自噬系统的一部分。

3、p62下降就认为aggrephagy一定增强

p62本身受转录和降解共同调控。

4、p62和聚集体共定位就完成机制

只能说明存在空间联系。

5、只做普通Western blot评价聚集体

可溶和不溶状态会被混在一起。

6、puncta数量增加就认为聚集更严重

大聚集体碎裂以后puncta可能反而增加。

7、aggresome形成就认为aggrephagy已经完成

它可能只是清除前的货物集中。

8、MG132一个模型做到最后

蛋白酶体被人为关闭,会明显改变整个蛋白质量控制网络。

9、蛋白过表达太强

大量细胞死亡以后,很难研究生理性的聚集体清除。

10、只做LC3与LAMP1

缺少真正的聚集货物运输证据。

11、只看自噬体数量,没有研究溶酶体

aggrephagy最终依赖溶酶体完成。

12、自噬抑制以后聚集体增加,就直接证明选择性aggrephagy

普通宏自噬下降同样可以造成结果。

13、只敲p62一个受体

不同聚集物可能存在明显受体冗余。

14、受体敲低以后细胞全面崩溃

此时聚集增加可能来自广泛细胞应激。

15、受体总蛋白变化就认为其选择性功能发生变化

还需要看它是否真正进入聚集结构。

16、只做共定位,没有做时间动态

无法判断受体是在聚集形成前、形成中还是清除失败后被动积累。

17、只研究形成,不研究清除

聚集体数量由生成和降解共同决定。

18、清除研究没有停止继续产生聚集蛋白

很难真正计算clearance。

19、看到自噬增强就认为一定具有保护作用

不同疾病中可能存在不同结果,尤其肿瘤需要结合细胞功能判断。

20、聚集体减少以后没有任何疾病功能

很难说明这种蛋白质量控制对疾病到底有多重要。

SECTION 22

22

一套完整的aggrephagy研究路线怎么设计

1、先确认疾病中确实存在蛋白聚集

不要因为发现LC3异常就直接做aggrephagy。

先通过免疫荧光、不溶组分和必要的filter trap证明目标蛋白确实发生聚集。

同时明确聚集主要发生在哪一类细胞和哪个亚细胞区域。

2、区分可溶蛋白和聚集蛋白

把同一个目标蛋白拆成soluble和insoluble两部分。

观察疾病发生以后,到底是总表达增加,还是越来越多蛋白从可溶状态进入不溶聚集状态。

这一步能够先把“表达问题”和“蛋白稳态问题”拆开。

3、建立聚集形成的时间曲线

观察小型puncta什么时候出现,什么时候形成大型聚集结构。

同时记录细胞功能和死亡。

找到聚集已经稳定存在,但细胞仍然具有足够存活率的时间窗口。

4、同步观察自噬系统什么时候开始响应

检测LC3、自噬通量和候选受体。

重点观察自噬变化发生在聚集形成之前、同时还是之后。

如果自噬最初增强,后期又逐渐堵塞,就可能提示细胞早期存在代偿,慢性阶段才真正发生清除失败。

5、真正建立aggrephagy flux

利用聚集蛋白和自噬/溶酶体相关动态报告体系,观察目标聚集货物从胞质逐渐进入自噬结构和酸性溶酶体。

这一层应该成为整个研究的核心。

6、停止继续产生新的聚集蛋白

如果条件允许,使用诱导表达或者pulse-chase设计。

先形成聚集,再停止表达。

随后计算单位时间内已有聚集体的清除速度。

这样能够真正研究clearance,而不是“生成和降解的净结果”。

7、筛选真正参与目标聚集体识别的受体

根据聚集蛋白性质,在p62、NBR1、TAX1BP1、OPTN、CCT2或其他候选机制中寻找相关性。

首先看受体是否真正富集到目标聚集体。

再做功能干预。

8、通过受体干预证明必要性

敲低候选受体后观察聚集形成速度和清除速度。

如果形成没有明显变化,清除却显著延迟,更支持它位于aggrephagy阶段。

9、使用野生型和功能突变体做救援

针对LIR、货物识别结构域或者其他关键位点设计突变。

观察什么功能真正决定聚集体清除。

这一步能够把“相关蛋白”推进成真正的选择性自噬受体机制。

10、区分整体自噬和选择性aggrephagy

同步评价总自噬通量。

如果受体干预后总LC3 flux变化很小,目标聚集蛋白清除却明显受阻,会更加支持选择性作用。

如果整个自噬系统都崩溃,则需要重新评估结论边界。

11、继续研究聚集体物理状态

根据课题观察液态凝聚、固化和大型聚集形成过程。

比较不同状态下受体招募和清除速度。

如果发现聚集体固化以后aggrephagy明显下降,就可以继续寻找决定这一转换的机制。

12、研究大型聚集体的预处理

当发现大型聚集体周围已经有大量LC3,自噬仍无法有效清除时,可以进一步研究聚集体碎片化和伴侣蛋白质量控制。

判断货物是不是因为“太大”而卡在自噬前端。

13、再把溶酶体单独拆出来

检测酸化、溶酶体蛋白酶活性和必要的膜完整性。

确认聚集体无法清除究竟来自识别问题,还是后端降解能力不足。

这一步对神经退行和衰老研究尤其重要。

14、建立上下游功能救援

例如目标受体下降导致聚集蛋白A积累,随后出现线粒体损伤和细胞功能下降。

如果直接降低聚集蛋白A以后,即使受体仍然异常,细胞功能也得到恢复,就可以证明聚集体积累确实承担关键下游作用。

15、进入疾病相关细胞验证

早期可以在操作成熟的细胞里建立机制。

关键结果最好回到真正相关的神经元、心肌细胞、肝细胞或其他细胞。

不同细胞的蛋白稳态系统差异很大。

16、动物中确认同样的聚集体清除异常

动物组织中同时评价不溶聚集、受体、自噬和溶酶体状态。

最好进一步进行细胞类型定位,确认异常发生在哪一类细胞。

17、动物中改变aggrephagy后观察疾病功能

神经退行回到行为和神经功能,心肌病进入心功能,肌肉疾病观察肌力,肝病则回到肝损伤和组织功能。

只有这一层成立,聚集体自噬才真正进入疾病机制。

最终可以形成一条比较完整的研究链:

疾病或细胞压力首先增加异常蛋白折叠,使特定蛋白逐渐形成聚集结构。正常情况下,细胞通过选择性受体识别并组织这些聚集体,再将其送入自噬—溶酶体系统清除。随着病程延长,聚集体物理状态、受体功能、货物预处理或者溶酶体能力中的某一环节开始失效,异常蛋白因此持续积累,并进一步破坏细胞器和组织功能。恢复这一关键aggrephagy步骤后,聚集体下降,细胞功能和疾病表型随之改善。

做到这一层,文章研究的已经不再是“自噬升高还是降低”。

它真正回答的是细胞为什么清不掉某一种具体的蛋白垃圾。

SECTION 23

23

博恩生物可以为聚集体自噬研究提供哪些实验支持

1、可以先判断现有课题是否真正适合向aggrephagy延伸

如果项目已经出现p62/泛素聚集、不溶蛋白增加、异常包涵体或者疾病相关聚集蛋白,可以进一步判断聚集体自噬是否具有合理入口。

避免把普通自噬变化直接包装成aggrephagy。

2、可以建立不同类型的蛋白聚集模型

根据项目选择蛋白酶体抑制、疾病相关突变蛋白、polyQ或者其他特定聚集蛋白体系。

通过剂量和时间预实验寻找稳定聚集,同时避免大面积细胞死亡。

3、可以开展可溶与不溶蛋白分离

分别检测目标蛋白在不同溶解组分中的分布。

结合普通Western blot、filter trap和免疫荧光,把总表达和真正聚集状态区分开。

4、可以进行聚集体数字化定量

对单细胞聚集体数量、面积、最大尺寸、总聚集负荷和亚细胞位置进行分析。

根据需要进一步区分分散聚集和核周大型聚集结构。

5、可以建立自噬通量和aggrephagy货物运输评价

在普通LC3 flux基础上进一步追踪目标聚集蛋白是否真正进入自噬和溶酶体。

把整体自噬与聚集货物特异性清除分开。

6、可以筛选和验证不同aggrephagy受体

围绕p62、NBR1、TAX1BP1、OPTN、CCT2等与具体聚集物相匹配的候选机制进行验证。

重点观察受体是否真正定位于聚集体,并参与其清除。

7、可以设计受体功能突变和救援实验

根据LIR、货物识别区域或其他关键结构设计突变体。

通过野生型和突变型救援区分受体的货物识别、自噬连接和其他非自噬功能。

8、可以研究聚集体形成和清除的时间关系

通过诱导表达、撤除刺激或者其他pulse-chase方案,把聚集生成和清除过程拆开。

真正评价不同干预对clearance速度的影响。

9、可以进一步研究聚集体物理状态

根据项目需要观察蛋白凝聚、聚集体成熟和固化过程,并分析不同材料状态与aggrephagy效率之间的关系。

为“为什么某些聚集体越来越难清除”提供新的机制入口。

10、可以把aggrephagy和溶酶体功能连接起来

同时评价溶酶体酸化、蛋白水解和必要的膜稳定状态。

区分货物识别失败与后端降解能力不足。

11、可以继续连接线粒体、内质网等继发损伤

在聚集体已经建立因果作用以后,进一步观察其怎样影响其他细胞器。

形成“蛋白聚集—细胞器损伤—疾病功能”的机制闭环。

12、可以从细胞继续进入动物疾病

在神经退行、心肌、肝脏、衰老等动物模型中验证相同聚集体和aggrephagy异常,并进一步通过干预观察疾病功能能否恢复。

聚集体自噬这个方向真正值得关注的地方,在于它把自噬研究从“整个系统开没开”,进一步推进到了“细胞到底在清除什么”。

同样是LC3增加,一个细胞可能在清理线粒体,另一个可能在处理受损溶酶体,还有一个正在试图清除越来越大的蛋白聚集体。

这几种生物学含义完全不同。

聚集体自噬尤其适合那些已经发现蛋白异常沉积,却一直解释不清为什么越积越多的课题。

此时研究重点可以从“自噬是不是下降了”继续往前追。

这块聚集体有没有被正确识别,是什么受体在负责识别,它现在还是可逆的凝聚结构,还是已经变成难以处理的固态聚集体;大型聚集物能不能被顺利拆成自噬体能够处理的尺寸,最后的溶酶体又有没有能力真正把这些货物消化掉。

把这些步骤拆开以后,就会发现“聚集体积累”其实可以来自很多不同故障。

而这也正是aggrephagy比普通自噬研究更有意思的地方。

它研究的不只是细胞有没有打开清除系统。

更重要的是,面对一块越来越大的异常蛋白垃圾,细胞究竟在哪一步失去了把它真正清出去的能力。

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