人类中心粒组装分子架构的时间序列重建

Time-series reconstruction of the molecular architecture of human centriole assembly.

作者信息Marine H Laporte, Davide Gambarotto, Éloïse Bertiaux, Lorène Bournonville, Vincent Louvel, José M Nunes, Susanne Borgers, Virginie Hamel, Paul Guichard
PMID38604175
期刊Cell
发布时间2024-04-25
DOI10.1016/j.cell.2024.03.025

实验完整度

中

以U-ExM对21种蛋白在人U2OS/RPE1细胞中心粒中定位,并结合时间序列重建与FIB-SEM数据拟合组装阶段

主要模型

人骨肉瘤U2OS细胞 hTERT RPE1视网膜色素上皮细胞 U-ExM分析的人中心粒与前中心粒 HeLa细胞FIB-SEM公开数据

重点核对

U-ExM凝胶的膨胀因子按每个凝胶实测值校正,用于长度和直径换算 定量时将微管蛋白信号作为中心粒长度或直径的参照,以信号峰的50%作为起点和终点 展开后的凝胶用Leica TCS SP8共聚焦显微镜63×/1.4油镜成像,z间隔0.12 μm,x/y像素35 nm 统计使用双尾Student t检验或单因素方差分析加Tukey事后检验,n值和重复次数见图注 用cryo-ExM验证无微管蛋白信号时SAS-6环的存在

摘要

Centriole biogenesis, as in most organelle assemblies, involves the sequential recruitment of sub-structural elements that will support its function. To uncover this process, we correlated the spatial location of 24 centriolar proteins with structural features using expansion microscopy. A time-series reconstruction of protein distributions throughout human procentriole assembly unveiled the molecular architecture of the centriole biogenesis steps. We found that the process initiates with the formation of a naked cartwheel devoid of microtubules. Next, the bloom phase progresses with microtubule blade assembly, concomitantly with radial separation and rapid cartwheel growth. In the subsequent elongation phase, the tubulin backbone grows linearly with the recruitment of the A-C linker, followed by proteins of the inner scaffold (IS). By following six structural modules, we modeled 4D assembly of the human centriole. Collectively, this work provides a framework to investigate the spatial and temporal assembly of large macromolecules.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
人类中心粒在生物发生过程中各结构元件如何按时间和空间顺序组装,以及每种中心粒蛋白对应哪个结构元件。
核心机制
中心粒组装由无微管蛋白的裸露车轮起始,随后进入微管叶片组装与车轮快速生长的bloom期,再进入微管骨干线性延长的elongation期,A-C linker与内骨架依次招募。
主要证据
U-ExM对21种中心粒蛋白在U2OS细胞中的纳米尺度定位、800余个前中心粒与成熟中心粒的时间序列重建,以及基于已公开的HeLa FIB-SEM中心粒三维数据的直径和MTT角度分析。
研究意义
建立人类中心粒组装的4D模型,为研究大型大分子复合物的时空组装提供框架,并可推广到其他模式系统。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

成熟中心粒蛋白的纳米尺度定位

将中心粒蛋白对应到成熟中心粒的具体结构元件。

用U-ExM对U2OS细胞中21种中心粒蛋白成像,相对于α-和β-tubulin信号测量其径向与纵向分布,再按靠近的结构元件分组。

2

前中心粒微管壁生长的时间序列重建

揭示前中心粒微管壁在bloom期和elongation期的生长规律。

测量800余个前中心粒与成熟中心粒的微管蛋白长度与近端直径,按长度而非细胞周期分期排序,进行分段线性回归和时间序列重建。

3

FIB-SEM三维结构验证

在三维超微结构层面验证前中心粒直径和MTT角度变化。

从公开HeLa细胞FIB-SEM数据中提取两个成熟中心粒及其相邻前中心粒,测量九边形近端直径及MTD/MTT角度。

4

裸露车轮及车轮延伸的观察

确定中心粒生物发生起始是否为无微管蛋白的裸露车轮,并解析车轮和pinhead的延伸。

在U-ExM下检测PLK4、SAS-6、STIL、CPAP、CEP135、CEP44在无tubulin信号时的出现比例和环状结构直径,并用cryo-ExM验证SAS-6。

5

A-C linker与内骨架的组装动态

确定A-C linker候选蛋白和内骨架组分在前中心粒生长中的出现时间与延伸方式。

时间序列追踪CCDC77、WDR67、CEP295、SPICE和POC5、FAM161A、centrin的信号起始与延伸,比较有信号和无信号时的微管蛋白长度。

6

远端蛋白复合物的定位动态

区分中心粒远端蛋白的定位模式,并确定远端复合物组成。

监测CEP290、CEP97、CP110、CEP162、CPAP、SFI1、C2CD3、centrin、CEP135在组装过程中的径向和纵向位置变化。

7

多维尺度分析与聚类建模

按生长曲线相似性对蛋白聚类,建立中心粒组装的整体模型。

对20种具有可量化生长的蛋白进行MDS分析,基于生长曲线距离聚类,并用loess与分段回归拟合各簇平均生长行为。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
兔多克隆抗α-微管蛋白抗体Abcamab18251
鼠单克隆抗α-微管蛋白抗体ABCD antibodiesAA345
鼠单克隆抗β-微管蛋白抗体ABCD antibodiesAA344
鼠单克隆抗乙酰化微管蛋白抗体ThermoFisher32-2700
鼠单克隆抗γ-微管蛋白抗体Abcamab11316
兔多克隆抗γ-微管蛋白抗体Gift from A-M Tassin--
鼠单克隆抗centrin抗体Merk Millipore04-1624
兔多克隆抗C2CD3抗体Atlas antibodiesHPA038552
兔多克隆抗CCDC77抗体Proteintech26369-1-AP
兔多克隆抗CEP44抗体Proteintech24457-1-AP
兔多克隆抗CEP63抗体Proteintech16268-1-AP
兔多克隆抗CEP63抗体Millipore06-1292
兔多克隆抗CEP97抗体Proteintech22050-1-AP
兔多克隆抗CEP135抗体Proteintech24428-1-AP
兔多克隆抗CEP152抗体Thermo Fisher ScientificA302-479A
兔多克隆抗CEP162抗体Atlas AntibodiesHPA030173
兔多克隆抗CEP164抗体Proteintech22227-1-AP
兔多克隆抗CEP290抗体Thermo Fisher ScientificPA5-84641
兔多克隆抗CEP295抗体Atlas AntibodiesHPA038596
兔多克隆抗CP110抗体Proteintech12780-1-AP
兔多克隆抗CPAP抗体Proteintech11517-1-AP
兔多克隆抗FAM161A抗体Le Guennec et al.--
兔多克隆抗PLK4抗体Proteintech28750-1-AP
兔多克隆抗POC1B抗体Thermo Fisher ScientificPA5-24495
兔多克隆抗hPOC5抗体Thermo Fisher ScientificA303-341A
鼠单克隆抗SAS-6抗体Santa Cruz Biotechnologysc-81431
兔多克隆抗SFI1抗体Proteintech13550-1-AP
兔多克隆抗SFI1抗体Laporte et al.--
兔多克隆抗SPICE抗体Thermo Fisher ScientificA303-272A
兔多克隆抗STIL抗体Thermo Fisher ScientificA302-441A
兔多克隆抗WDR67抗体Atlas AntibodiesHPA023710
山羊多克隆抗小鼠IgG-Alexa488ThermoFisherA11029
山羊多克隆抗兔IgG-Alexa488ThermoFisherA11008
山羊多克隆抗小鼠IgG-Alexa568ThermoFisherA11004
山羊多克隆抗兔IgG-Alexa568ThermoFisherA11036
甲醛SIGMAF8775
丙烯酸钠SIGMA / AK Scientific408220 / 7446-81-3
乙烷:丙烷混合液PanGas--
无核酸酶水Ambion-ThermoFisherAM9937
多聚D-赖氨酸ThermoFisherA3890401
四环素阴性胎牛血清ThermoFisher15393691
DMEM GlutaMAX培养基ThermoFisher10566016
青霉素/链霉素ThermoFisher15140122
Leica TCS SP8倒置共聚焦显微镜Leica--
Leica DM18倒置宽场显微镜Leica--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
细胞培养与处理
细胞系为U2OS(ATCC HTB-96)和hTERT RPE1(ATCC CRL-4000),接种密度为35000 cell/cm2,培养基为DMEM GlutaMAX加10%四环素阴性胎牛血清及青霉素和链霉素(100 μg/ml),培养条件为37°C、5% CO2
阅读提示:查看STAR Methods的Human cell culture小节
U-ExM样本制备
固定用2% AA + 1.4% FA于37°C处理3–5 h;凝胶单体溶液为19% sodium acrylate、0.1% bis-acrylamide和10% acrylamide,TEMED和APS终浓度0.5%,37°C聚合30 min至1 h;变性在95°C进行1 h 30 min
阅读提示:查看STAR Methods的Ultrastructure Expansion Microscopy (U-ExM)小节
膨胀因子校正
以凝胶展开后尺寸除以12 mm计算膨胀因子,长度和直径测量值按各凝胶的膨胀因子换算回真实值
阅读提示:查看STAR Methods的U-ExM小节和Quantification and statistical analysis小节
抗体稀释与孵育
二抗Invincrogen A11008、A11004、A11029、A11036常规免疫荧光按1:800稀释,U-ExM按1:400稀释;一抗信息见Key resources table和Table S1
阅读提示:查看STAR Methods的Antibodies used in this study小节及Key resources table
成像参数
共聚焦成像用Leica TCS SP8 63×/1.4 NA油镜,lightning模式下生成去卷积图像,3D栈z间隔0.12 μm,x/y像素35 nm;宽场成像用Leica DM18 63×/1.4 NA油镜,z间隔0.21 μm,x/y像素100 nm
阅读提示:查看STAR Methods的Imaging小节
前中心粒长度与直径定量
以tubulin信号代表中心粒长度,信号两端取峰值50%处为起点和终点;图像像素尺寸人为缩小6倍以提高测量精度;以tubulin长度为排序依据而非细胞周期分期
阅读提示:查看STAR Methods的Longitudinal measurements from side viewed centrioles小节和Measurements of diameter versus length during procentriole assembly小节
聚类与统计
MDS和PAM聚类基于loess曲线行为与蛋白相对tubulin的空间定位计算距离,通过WSS、silhouette和gap统计确定k=7;统计使用双尾Student t检验或单因素方差分析加Tukey事后检验,n值和重复次数见图注
阅读提示:查看STAR Methods的MDS analysis and clustering of the centriolar proteins小节和 Statistical analysis小节