撰文 | 十一月

责编 | 兮

中枢神经系统中的每个少突胶质细胞最多可以产生50个髓鞘【1】,髓鞘的存在使轴突隔绝确保神经电位的快速传播。但是如此复杂而精妙的结构是如何建立的还很不清楚。经典的微管形成方式是在核周围的中心体存在微管组织中心(Microtubule-organizing center,MTOC),依赖于γ-tubulin的成核作用形成微管【2】。近年来,一些其他非经典的微管组织中心被逐渐鉴定出来,包括细胞体中的高尔基体3】、肌肉细胞中的核膜【4】等等。神经元由于中具有非常特化的分支形状的细胞结构,一直以来都是微管组织的热门研究课题。二十年前,通过电镜发现了培养的少突胶质细胞中存在高尔基体的“前哨(Outstations of Golgi complex),这种细胞器存在于微管的周围,大概长度1-3μm【5】,比细胞体中的高尔基体主体要小很多。虽然细胞体中的高尔基体也可以作为微管成核的位点【3】,但少突胶质细胞中的非中心体微管组织中心还未见报道,主要原因在于一直缺少能够识别细胞体中高尔基体“前哨”细胞器特异性标记物。

2019年9月12日,加拿大麦吉尔大学Susanne Bechstedt与斯坦福大学Meng-meng Fu团队在Cell上发表长文The Golgi Outpost Protein TPPP Nucleates Microtubules and Is Critical for Myelination鉴定出少突胶质细胞高尔基体“前哨”细胞器的特异性标记物TPPP(Tubulin polymerization promoting protein),揭示了TPPP在髓鞘形成等方面的重要功能以及微管组织方式的详细分子机制。

作者们通过体外培养少突胶质细胞发现其中形成的微管具有普遍的极性,通过与顺式高尔基体的标记物进行免疫染色后发现,在微管形成过程中存在明显的小点(Puncta)。作者们在电镜下发现这些1-2μm的小点存在完整的高尔基体结构,的确是高尔基体“前哨”细胞器。

作者们想要知道这种特异的微管结构是如何装配的,其装配的具体分子机制又是如何。为了揭开这一问题,首先作者们根据已有的RNA测序数据库【6】对微管相关蛋白进行了筛选。结果作者们非常惊讶的发现TPPP的mRNA在少突胶质细胞中具有非常特异地表达。这也与前人关于TPPP时间表达谱的研究相一致,在胚胎时期表达量很低,但是出生后P11时期的大脑TPPP表达量开始升高【7】,这与髓鞘形成的时间也是一致的。更令人惊讶的是,TPPP抗体染色结果发现与顺式高尔基体标记物的共定位的比例高达93%,但在细胞体中的高尔基体则完全不存在共定位的情况,表明TPPP是一个非常特异的高尔基体“前哨”标记物。

“工欲善其事必先利其器”,在确定了该特异性标记后,作者使用TPPP抗体纯化出了高尔基体“前哨”这种小细胞器,并且发现这种小细胞器的周围被共纯化下来了很多微管。这一现象进一步支持了作者们之前提到的TPPP+的高尔基体“前哨”可能作为微管组织中心产生微管的假说。

为了揭开TPPP在高尔基体“前哨”产生过程中的具体作用,作者们进行了微管成核作用体外实验(图1),发现在没有TPPP蛋白以及GTP加入的时,没有微管产生;单独加入TPPP蛋白后小珠子上聚集了微管蛋白;在同时加入GTP提供能量之后,微管迅速形成,证明了TPPP的确具有微管成核作用。

图1 微管成核作用体外实验示意图

既然TPPP在微管形成过程中具有如此重要的作用,那么当TPPP敲除后对细胞或者是动物体内具有什么影响呢?作者们在细胞中敲除TPPP后,发现少突胶质细胞髓鞘变短而且分支结构更复杂(图2)。TPPP对于小鼠体内髓鞘形成也具有非常重要的作用,在TPPP敲除后小鼠多个脑区出现髓鞘形成减少的情况,进一步的行为实验证明TPPP敲除小鼠的存在行动缺陷。

图2 体外培养野生型与TPPP敲除小鼠的少突胶质细胞微管分布特点

总的来说,Susanne Bechstedt与Meng-meng Fu研究组合作的这篇Cell对少突胶质细胞中非中心体微管组织的分子机制进行了详细地解析,并且找到了作为高尔基体“前哨”细胞器的特异性标记物,对未来关于高尔基体“前哨”细胞器对于片层微管的建立以及髓鞘延伸等方面的研究提供了重要的工具和思路。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.08.025

参考文献

1 Chong, S. Y. et al. Neurite outgrowth inhibitor Nogo-A establishes spatial segregation and extent of oligodendrocyte myelination. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America109, 1299-1304, doi:10.1073/pnas.1113540109 (2012).

2 Stearns, T., Evans, L. & Kirschner, M. Gamma-tubulin is a highly conserved component of the centrosome. Cell65, 825-836, doi:10.1016/0092-8674(91)90390-k (1991).

3 Chabin-Brion, K. et al. The Golgi complex is a microtubule-organizing organelle. Molecular biology of the cell12, 2047-2060, doi:10.1091/mbc.12.7.2047 (2001).

4 Gimpel, P. et al. Nesprin-1alpha-Dependent Microtubule Nucleation from the Nuclear Envelope via Akap450 Is Necessary for Nuclear Positioning in Muscle Cells. Current biology: CB 27, 2999-3009 e2999, doi:10.1016/j.cub.2017.08.031 (2017).

5 de Vries, H. et al. Outstations of the Golgi complex are present in the processes of cultured rat oligodendrocytes. Journal of neuroscience research36, 336-343, doi:10.1002/jnr.490360311 (1993).

6 Zhang, Y. et al. An RNA-sequencing tranome and splicing database of glia, neurons, and vascular cells of the cerebral cortex. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 34, 11929-11947, doi:10.1523/JNEUROSCI.1860-14.2014 (2014).

7 Takahashi, M. et al. A brain-specific protein p25 is localized and associated with oligodendrocytes, neuropil, and fiber-like structures of the CA3 hippocampal region in the rat brain. Journal of neurochemistry60, 228-235, doi:10.1111/j.1471-4159.1993.tb05842.x (1993).