Nature：分泌组mRNA翻译的空间异质性——LNPK与溶酶体共同塑造分泌组合成

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Nature：分泌组mRNA翻译的空间异质性——LNPK与溶酶体共同塑造分泌组合成
" R4 y6 D' W* w5 B3 d来源：BioArt 2025-12-14 12:12( z( E0 C  r- @0 G
本研究利用活细胞单分子成像首次明确揭示了分泌组mRNA的翻译并不是在ER上随处发生，而是集中在富含Lunapark（LNPK）的ER连接处，这些区域与溶酶体紧密邻近。
7 i  C, J- u* j/ H在真核细胞中，内质网（ER）是分泌蛋白和膜蛋白合成的关键平台。传统观点认为，ER片层区域（sheets, 粗面ER）富含膜结合多聚核糖体，因此被视为分泌组（Secretome）mRNA翻译的主要场所【1】。然而，随着冷冻电镜断层扫描与空间转录组等新技术的出现，研究者逐渐认识到核糖体并不局限在粗面ER上，而是分布于整个ER网络，包括大量的管状结构以及管状之间形成的连接处【2】。这些观察提示，ER的结构比此前理解的更为复杂，而翻译活动可能在这些结构中呈现空间差异，因而“粗面ER=翻译中心”的经典模式开始受到挑战。1 P8 c5 F  s# `
进一步研究发现，并非所有ER结合核糖体都处于活跃的翻译状态。许多核糖体，尤其是60S亚基，以非翻译的方式结合在ER膜上，可能代表一种预装配或起始调控状态【3】，而如何在亚细胞尺度上精确定位这些翻译事件，仍是技术难点。当前研究中的一个思路是通过标记Sec61复合物或TRAP等转位通道成分来追踪翻译位点【4】，但这类操作往往干扰其天然功能；同时，由于膜内表位的空间受限，免疫标记的分辨率也不足。
' `6 V9 j) H/ M0 q2 F7 W9 r一个关键问题在于，分泌组mRNA究竟是在特定的ER亚域中优先翻译，还是在连续的ER网络上广泛而均匀地合成，目前仍不甚清楚。回答这一问题，对理解ER结构与翻译机制之间的耦合具有基础性意义。% ?* J, G9 K% k5 i6 M
近日，HHMI Janelia Research Campus的Jennifer Lippincott-Schwartz实验室等在Nature杂志发表了题为Secretome translation shaped by lysosomes and lunapark-marked ER junctions的研究文章，首次建立了分泌组翻译的空间模型：分泌组mRNA的翻译优先发生在LNPK标记的ER连接处，而这些连接处与溶酶体形成紧密界面，利用局部氨基酸供给和eIF2起始调控提升翻译效率。ER结构、溶酶体代谢与翻译机器因此被整合为一个功能单元，改变了传统的“粗面ER=翻译中心”这一经典理论，为理解细胞在高分泌负荷、应激或营养变化中的蛋白合成调节提供了新的视角。( g6 G) Q3 H' Z/ K3 _0 h! U# ^
为可视化分泌组合成的空间位置，作者构建MS2报告子实时追踪mRNA，并结合SunTag体系标记新生肽链。单颗粒追踪显示，分泌组mRNA在翻译时呈现高度受限的运动行为，且几乎始终依附于ER；当嘌呤霉素终止翻译后，这些mRNA移动速度提升约十倍并易从ER解离。SunTag信号进一步确认，受限点对应活跃翻译，而移动点则为非翻译状态，与非分泌组mRNA在细胞质中的自由扩散截然不同。多种报告子在翻译期间均呈现明显的受限运动，反映其在共翻译易位过程中被锚定于ER膜，而β-actin、Sec61β等非分泌组mRNA则主要保持移动，说明分泌组翻译具有ER结构性锚定特征。
" x+ ~0 e) [3 K( o在对ER外周区域的成像中，作者发现翻译中的分泌组mRNA显著富集在ER连接处这一狭窄微区，而非均匀分布于整个ER网络。内源CD9 mRNA经HCR-smFISH进一步证实这一特征。与此同时，核糖体追踪也表明，只有与翻译活性匹配的核糖体亚群会定位在ER连接处，而嘌呤霉素处理可使其迅速转为快速移动状态。这些结果共同证明，ER连接处是分泌组mRNA与核糖体翻译的主要热点。
( c" ]5 W* V# r( s, Y& DLNPK作为ER连接处的标记蛋白，相关研究已表明其参与ER连接结构的形成与稳定。作者发现LNPK–GFP选择性存在于部分ER连接处，并且在SunTag体系中，翻译阳性新生链有高达80%位于LNPK信号300 nm以内，而非翻译点与LNPK的空间关联显著较弱，说明LNPK标记的ER连接处是分泌组翻译的优先“工位”。# ~4 B$ e, W6 V5 K
当LNPK被敲低或敲除后，这一空间组织被破坏：翻译中的分泌组mRNA移动性上升，翻译比例显著下降；相应地，cytERM-SunTag信号减少，膜蛋白的新生合成降低，而总蛋白水平和整体翻译几乎不变。蛋白质组与转录组联合分析显示，膜蛋白的蛋白/mRNA比值普遍下降，进一步证明LNPK对分泌组与膜蛋白翻译至关重要。
: m! B$ o% T5 U9 H) |& v为了确定LNPK调控的空间环境是否涉及溶酶体，作者进行了PLA近邻连接分析。结果显示LNPK与溶酶体标记LAMP1存在显著近邻关系，而与早期内体和线粒体无明显关联。光遗传诱导实验进一步表明，在野生型细胞中，溶酶体可迅速被招募至ER连接处，而LNPK缺失显著减缓这一过程，说明LNPK不仅标记ER结构，也促进ER-溶酶体接触的形成。2 I. F) Y' U' Q2 s. F
更关键的是，溶酶体邻近并非被动伴随，而是直接增强翻译本身，翻译中的cytERM-SunTag信号在靠近LAMP1阳性溶酶体时显著增强（核糖体增多）。受限运动的SiT-EGFP–MS2也更倾向靠近溶酶体，而非翻译状态不存在这种偏好。此外，LNPK失活可消除溶酶体邻近引发的翻译增强效应。因此，LNPK介导的ER-溶酶体界面是调控分泌组翻译的必需结构。$ I9 p2 m/ z7 F% p: ~# ~$ E
溶酶体蛋白降解释放氨基酸，为起始阶段提供关键底物。实验显示，氯喹提升溶酶体pH或抑制溶酶体蛋白酶均可降低分泌组翻译。而在氨基酸饥饿条件下，尽管整体翻译下降，溶酶体邻近区域的翻译反而更活跃，这体现了局部氨基酸供给对分泌组翻译的重要性。
, A% z) B/ m1 I) I. e机制层面上，LNPK缺失细胞分泌组翻译的下降主要源于起始受阻：整合应激反应抑制剂（ISRIB）能够恢复翻译，而mTOR抑制剂无效，说明分泌组翻译缺陷来自整合应激反应（ISR）通路而非mTOR。此外，LNPK缺失伴随eIF2α磷酸化比例升高，但并未激活典型ISR特征（如ATF4诱导或XBP-1剪接），且抑制主要集中在膜蛋白和分泌蛋白翻译。整体来看，LNPK缺失触发的抑制依赖eIF2α，但不伴随典型的ISR转录程序，而是选择性降低分泌组翻译。+ l9 M; F: m7 K( n" V0 E
综上所述，本研究利用活细胞单分子成像首次明确揭示了分泌组mRNA的翻译并不是在ER上随处发生，而是集中在富含Lunapark（LNPK）的ER连接处，这些区域与溶酶体紧密邻近。LNPK的存在决定了这些位置的翻译活性，而溶酶体的代谢状态则进一步调节局部核糖体密度。此外，LNPK耗竭会降低分泌组mRNA的翻译效率，这一缺陷依赖eIF2起始通路；氨基酸匮乏会加强溶酶体邻近的翻译偏好，而溶酶体pH中和或蛋白酶抑制则抑制翻译。整体而言，分泌组翻译受到ER结构特征与溶酶体供氨基酸能力的双重调控。( A/ D1 Z* T- ^* W2 I4 Y8 t1 l
原文链接：$ E# j7 g, n5 G: l# h4 d
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09718-0
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