分享一篇近期发表在 nature chemical biology 的文章，本文的题目是“Endosome positioning coordinates spatially selective GPCR signaling”，这篇文章的核心是作者们解释了为什么有些定位在内体 endosome 上的 GPCR，比如，本文主要讨论的 β2-肾上腺素受体（β2-AR），其活性会受到 endosome 在细胞内位置的影响。本文的通讯作者是来自美国杜克大学的 Nikoleta G. Tsvetanova。

    GPCR 参与了哺乳动物众多必要的生理活动的调节过程，其功能严格地受到内吞作用的调控，激活后的 GPCR 会招募 arrestin 蛋白和 clathrin 网格蛋白，随后，含有 GPCR 的细胞膜，会被内吞到细胞内，形成 endosome。以前大家认为 endosome 上的 GPCR 没有活性，但是，现在越来越多的研究表明，这些定位在 endosome 上的受体所行使的功能，不同于当其在细胞膜上定位时的功能，这种受体就被定义为具有“空间选择性的 GPCR”。比如，尽管 β2-AR 可以同时在细胞膜上和 endosome 上被激活，但是，该受体在后者处激活时，会特异地驱动某些基因的表达，比如 NR4A1。早期的 endosome 在细胞内非常地活跃，它们负责将细胞外的“货物”运输到细胞中心处。作者们猜测，endosome 在细胞内的位置，很有可能影响了这些 GPCR 的功能。

    为了解决这一问题，作者们首先构建了能够“操控” endosome 定位的系统，作者们将 endosome 上的蛋白 EEA1 和 FRB 融合表达，将驱动蛋白中的亚基 Kif1a 与 FKBP 融合表达（驱动蛋白负责将细胞内的“货物”运往细胞膜，即远离细胞核），给细胞外加雷帕霉素 Rapamycin，就可以使 FRB 和 FKBP 二聚，从而实现了将 endosome 装载到驱动蛋白，驱动蛋白会把 endosome 带到细胞膜附近，人为地操控 endosome 的位置。

    作者们用 β2-AR 的激动剂 isoproterenol (Iso) 来刺激受体激活，作者们用最近很酷的单分子 RNA 检测技术（Proximity Ligation In Situ Hybridization，PLISH），检测到 NR4A1 基因的表达量会显著地增加，也用其实验室开发的 pCRE-DD-zsGreen1 荧光系统，检测到了下游 cAMP 相关基因的表达（该技术细节，可见文章：https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1009103）。当加入诱导 FRB 和 FKBP 二聚时，即将 endosome 带到细胞膜附近（换句话说，刻意地让它们处在不正确的地方），NR4A1 基因的表达明显地降低了。作者们想到 β2-AR 受体激活后，cAMP 作为第二信使，逐渐将信号传递给 PKA 和 CREB，启动相关基因的表达。作者们发现，当 endosome 处的位置不正确时，PKA 的活性也明显地降低了。细胞内的磷酸二酯酶PDEs 发挥着水解 cAMP 的作用，而近期的研究表明，PDEs 广泛地存在于细胞膜周围，作者们用 3-isobutyl-1-methylxanthine 抑制 PDEs 的酶活，发现即便是 endosome 被强行带到细胞膜周围，处在不正确的位置，也能够启动下游基因的表达，也就说明了磷酸二酯酶PDEs 对于 endosome 上的 GPCR 启动下游信号转导，发挥着非常重要的作用。

    最后，作者们提出的模型是：之所以只有 endosome 上的 β2-AR 能够启动相关基因的表达，是因为信号转导依赖于第二信使 cAMP，细胞膜周围有大量的磷脂酶，会水解这些 cAMP，导致信号无法被传递。而 endosome 在细胞内的位置与细胞核很近，这有助于 cAMP 快速地激活核周的 PKA 和下游信号的传递。

本文作者：Zihua Liu

责任编辑：WFZ

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-023-01390-7

文章引用：DOI：10.1038/s41589-023-01390-7