近日，南方科技大学生命科学学院化学生物学系副教授余聪课题组与神经生物学系副教授魏志毅课题组合作，在国际学术期刊 Nature Communications 上发表题为“CLASP-mediated competitive binding in protein condensates directs microtubule growth”的研究论文。该论文提出了一种全新的竞争性结合介导介观层面蛋白质凝聚体之间相互作用的机制。
蛋白质之间的相互作用是细胞生命活动最重要的调控。一般认为，在溶液中，同一种蛋白质与多个蛋白相互作用，如果存在竞争性的结合，将会选择性的结合其中一种。但是在细胞中果真如此吗？
该研究以微管上的蛋白质 CLASP2 为例进行探讨。微管是细胞内关键的结构元件，类似于分子运输的高速公路，为细胞内的分子运输、细胞器定位和信号传递提供了重要通道。微管不仅在维持细胞的结构稳定性和形态上发挥作用，还在细胞分裂过程中确保染色体的准确分配。在这些功能中，微管的导航和靶向机制尤为关键。通过位于微管末端的蛋白质与分布于不同细胞区域的蛋白质之间的相互作用，微管得以精确靶向到特定位置。
CLASP 蛋白是定位在微管正末端的重要蛋白，其 TOG4 结构域与 CLIP170 蛋白的相互作用有助于 CLASP 在微管正末端的稳定定位。此外，CLASP 的 TOG4 结构域还能与黏着斑周围的 LL5β 蛋白、高尔基体中的 GCC185 蛋白和动粒上的 CENP-E 蛋白相互作用，帮助 CLASP 及微管末端定位于这些细胞结构内。尽管已有研究表明，CLASP 与 LL5β、GCC185 和 CENP-E 蛋白的相互作用促进了微管的靶向定位，但其分子机制尚未完全阐明。
研究者首先从结构生物学角度入手，揭示了 CLASP2 蛋白羧基端的 TOG4 结构域与多种 CLASP 结合蛋白中的共同基序 TOG4 binding motif（TBM）相互作用,如微管末端蛋白 CLIP170 和黏着斑蛋白 LL5β。通过细胞实验，研究团队发现 CLASP2 与 TBM 的相互作用对于 CLASP2 在不同细胞区域（如微管末端和黏着斑周围）的定位至关重要。由于这些 TBM 包含蛋白共享同样的 TOG4 结合模式，它们之间能够竞争性地与 CLASP2 结合。生化实验和细胞实验进一步证实了这种竞争结合确实存在于微管末端和黏着斑外围。然而，这种竞争作用如何能够介导三种蛋白质的共存，从而将微管定位到黏着斑附近？
图1 CLASP2介导的竞争结合引起了凝聚体的稳定接触，从而介导微管末端靶向至黏着斑
为了解释这一关键问题，研究进一步发现，微管正末端 CLIP170 蛋白以及黏着斑周围 ELKS1/LL5β 蛋白可以发生液-液相分离。这些液-液相分离的发生对于 CLASP2 以及微管在细胞前缘和黏着斑的靶向很重要。而 CLASP2 与这些蛋白之间的竞争性结合是 CLASP2 介导这些蛋白质形成的凝聚体相互接触但是并不融合的关键因素。研究者通过一系列巧妙的实验设计，证实了只有竞争性的相互作用才能担负其此功能。而非竞争性的结合将会导致凝聚体的融合，不利于微管的生长和定位 （图1）。
图2 ELKS1凝聚体可以作为引导微管生长的“路标”
除此之外，研究者发现，由这种竞争性相互作用介导的凝聚体之间的相互作用可以受到蛋白质磷酸化的精准调控。在黏着斑之外，细胞的其他区域也分布有 ELKS1 凝聚体。这些 ELKS1 凝聚体充当“站点”的功能，引导微管前进，如同路标引导车辆（图2）。在此过程中，既需要微管末端 CLIP170 凝聚体与 ELKS1 凝聚体稳定接触，同时又需要微管末端 CLIP170 凝聚体及时脱离 ELKS1 的凝聚体。研究发现，激酶 GSK3β 通过磷酸化 CLASP2，来调控 CLASP2 介导的 CLIP170 凝聚体与 ELKS1 凝聚体之间稳定接触的能力，从而使凝聚体接触—分离，促使微管末端具有方向性地动态生长的能力。
图3 不同凝聚体的稳定接触介导微管靶向的示意模型
同时，研究人员通过序列分析发现了更多与 CLASP2-TOG4 结合的蛋白质，并通过蛋白质相互作用实验确认了这些蛋白与已知的 TBM 包含蛋白具有相同的 TOG4 结合模式。值得注意的是，这些蛋白同样能够发生相分离，并将 CLASP2 招募到其凝聚体中。类似地，CLASP2 可以介导这些凝聚体与 CLIP170 凝聚体形成稳定的接触，来调控微管与高尔基体、染色体动粒等细胞器之间的相互作用（图3）。这表明了一种普遍存在的微管靶向分子机制，为理解中尺度水平的复杂蛋白质相互作用提供了新的见解。
南方科技大学生命科学学院博士生郏宣衍、林磊澍为论文的共同第一作者，余聪和魏志毅为论文的通讯作者。生命科学学院基础免疫与微生物学系助理教授何思聪、工学院生物医学工程系副教授李依明及团队成员对本研究作出了重要贡献。南方科技大学为论文的第一单位。本项研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科创委、深港脑科学创新研究院、深圳市生物大分子组装与调控重点实验室、南方科技大学生物电镜研究院、南方科技大学冷冻电镜中心和分析测试中心等的资金和技术支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50863-3
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