细胞器间动态互作是维持细胞稳态的核心机制 [1]。近年研究发现，邻近的细胞器通过接触位点（Contact sites, CSs）进行非囊泡依赖的脂质交换与钙信号转导，揭示了细胞器交流的新途径 [2]。值得注意的是，CSs功能紊乱与阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease, AD）等神经退行性疾病密切相关[3]。AD的早期病理特征表现为神经元树突退化，包括树突棘结构可塑性丧失和分支复杂性降低[4]。尽管树突内存在完整的细胞器系统，但其在生理与病理条件下的互作模式仍不明确，这成为解析AD病理机制的关键科学问题之一。
近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部周伟/龚辉团队在Theranostics （最新IF:12.4）上发表了题为“The inter-organelle cross-talk finely orchestrated in the amyloidogenic processing of amyloid precursor protein in dendritic arborization neurons of Drosophila”的研究论文。该研究首次构建了多细胞器互作在体模型——“高尔基前哨-内质网-溶酶体-线粒体网络”（GELM Network），系统揭示了该网络中CSs的“密度-运动性”双模态调控机制及其在淀粉样前体蛋白（Amyloid precursor protein, APP）异常加工中的级联失调模式，提出了“APP异常加工→细胞器网络级联失调→树突退行”的病理机制（图6）。这项研究不仅为细胞器网络化互作理论提供直接证据，也为AD病理的研究开辟了新的方向。
1.多细胞器互作网络在体模型的构建
考虑到果蝇幼虫体壁组织的透明特性与神经元树突内细胞器离散分布优势，研究者在果蝇幼虫树突分支神经元中构建了GELM网络研究模型，用于在体追踪多细胞器互作。该模型中，通过开发一系列邻近驱动的split-GFP探针，实现了对四种连接前哨、内质网、溶酶体和线粒体的CSs的动态追踪与量化表征（图1. A-E）。结合多色超分辨成像技术，在活体中解析了以前哨-内质网-溶酶体三细胞器接触和前哨-内质网-溶酶体-线粒体四细胞器接触为主导的空间组织模式（图1. F-I）。GELM在体模型为多细胞器互作的研究提供了一个高时空分辨率的技术平台。
图1 A-I 使用split-GFP探针和四色成像展示的细胞器间CSs和空间组织
2.GELM网络中CSs精细的双模式调控
为了阐明GELM网络中CSs 间的调控模式，通过操纵线粒体相关接触位点锚定蛋白和囊泡转运蛋白的表达，发现CSs存在“密度+运动”的双模态调控模式。其中，线粒体锚定蛋白，如Miro、Porin和Porin2，仅调控CSs的密度（图2），而囊泡转运蛋白则调控了CSs的密度和运动比例。例如，当敲降囊泡转运蛋白ζ-COP的表达的时，分泌细胞器间的CSs（前哨-溶酶体）运动比例增加，而线粒体相关的CSs（前哨-线粒体）密度减少（图3）。这些发现说明了GELM网络中CSs间存在着复杂的相互作用，提示了跨细胞器途径的稳态补偿机制。
图2 A-D 线粒体相关接触位点蛋白对GELM网络中CSs的调控
图3 A-F 囊泡转运蛋白对GELM网络中CSs的调控
3. 病理条件下GELM网络的级联失调
为了表征病理状态对GELM网络的扰动，通过在da neurons中表达APP相关蛋白和分泌酶，该研究模拟了AD病理进程中人类APP的淀粉样加工过程。结果发现，GELM网络中CSs在APP淀粉样加工的三个阶段中呈现出一种渐进化的失稳态调控模式：调控起始于内质网-溶酶体CSs，并随后逐渐波及至全部四种CSs，表现为“密度-运动性”单向上调（图4 A-D）。进而，通过敲降线粒体锚定蛋白Miro的表达，不仅部分逆转了淀粉样加工中GELM网络中的CSs的失调（图4. A-C），也改善了树突棘结构的可塑性。APP淀粉样加工过程中CSs的级联失调和树突棘结构异常，进一步证实了GELM网络在AD病理中的枢纽作用。
图4 A-D GELM网络在APP淀粉样加工过程中的扰动与恢复
图5 生理和病理条件下的GELM网络
华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部周伟副教授为通讯作者，博士生程果与博士后常瑾为该论文的共同第一作者。华中科技大学武汉光电国家研究中心龚辉教授，柯珊珊博士，博士生代子民和龚德勇共同参与了相关工作。本研究得到了科技创新2030－重大专项（2021ZD0201001）、国家自然科学基金（61890951 和 31871027），中央高校基本科研基金（HUST: 2019KFYXMBZ011, 2019KFYXMBZ039, 2018KFYXMPT018, 2019KFYXMBZ009）和武汉光电国家研究中心主任基金的资助。
原文链接：https://www.thno.org/v15p2951.htm
