Morphological Determinants of Intracellular Membrane Compartments

项目总结/摘要 真核细胞将其内部组织成一组膜包封的隔室，称为细胞器 或内膜系统，使细胞生长和活力。每个细胞器都有独特的生化反应 组成，复杂的动力学和独特的形态。 细胞器是如何形成的，它们的形状 与它们的功能有关，以及单个细胞器如何参与特定的接触是重要的开放性问题 这是拟议研究的重点。 对人类细胞空间组织的理解目前正在经历一场革命， 认识到细胞质的组分可以经历与细胞质的其余部分的“液-液”相分离， 细胞质，形成动态和功能专门化的领域，缺乏任何膜。我们最近的研究 提出了一种新的可能性，即含有膜的细胞器是由一个二维的变化结构 根据这一原理，"杆状病毒样“蛋白（”golgins“和golgin-like蛋白）自组装成层状液体 几何学我们的目标是在早期组织的背景下测试和发展这一新的组织原则。 分泌途径，其中两个细胞器，ER和高尔基体堆叠，形成一个“突触-突触样”界面， 在不同的分类群中保存。人们对ER-高尔基体界面的空间组织是如何实现的知之甚少， 以及为什么需要这种特殊的组织。这也是一个谜，如何这种连接可以表现出结构完整性 同时抵抗材料的高通量，但在特定的调节线索下表现出动态特性。 我们的目标是了解建立ER-高尔基体界面的特殊形态的机制， 以便能够在该空间内有效地处理和分拣货物。我们的动机假设是 界面代表由局部相分离蛋白组织的动态膜接触位点。 我们将 采用“自下而上”的方法，即我们将单个组分纯化至均匀，并在 模型膜环境，寻找重建所需的最小组件和机制， 形态和功能。 我们将用超分辨率和电子显微镜来补充这种方法， 在人类细胞系和模式生物C中的遗传扰动和功能测定。 优雅 通过这种双重策略，我们希望阐明ER-高尔基体界面形成的原理， 维持，以及其空间组织如何影响细胞功能。

Project Summary/Abstract    Eukaryotic cells organize their interior into a set of membrane-­enclosed compartments, referred to as organelles  or the endomembrane system, that enable cell growth and viability. Each organelle exhibits a unique biochemical  composition,  complex  dynamics,  and  a  distinct  morphology.  How  organelles  are  shaped,  how  their  shape  is  linked to their functions, and how individual organelles engage in specific contacts are important open questions  that are the focus of the proposed research.  Understanding  of  the  spatial  organization  of  human  cells  is  currently  experiencing  a  revolution,  with  the  realization that components of the cytoplasm can undergo a “liquid-­liquid” phase separation from the rest of the  cytoplasm, forming dynamic and functionally specialized domains that lack any membrane. Our recent research  raises the novel possibility that membrane-­containing organelles are structured by a two-­dimensional variation  of  this  principle,  in  which  ‘rod-­like’  proteins  (‘golgins’  and  golgin-­like  proteins)  self-­assemble  into  lamellar  liquid  geometries. We aim to test and develop this new organizing principle in context of the organization of the early  secretory  pathway,  where  two  organelles,  the  ER  and  the  Golgi  stack,  form  a  ‘synapse-­like’  interface  that  is  conserved across taxa. It is poorly understood how the spatial organization of the ER-­Golgi interface is achieved,  and why this specific organization is required. It is also a mystery how this junction can exhibit structural integrity  while resisting a high throughput of material, yet exhibit dynamic properties under specific regulatory cues.   Our  goal  is  to  understand  the  mechanisms  that  establish  the  specific  morphology  of  the  ER-­Golgi  interface  in  order to enable efficient processing and sorting of cargo within this space. Our motivating hypothesis is that this  interface  represents  a  dynamic  membrane  contact  site  organized  by  local  phase  separation  proteins.  We  will  employ a ‘bottom-­up’ approach in which we purify individual components to homogeneity and probe them in a  model  membrane  environment,  seeking  out  the  minimal  components  and  mechanisms  needed  to  reconstitute  morphology  and  function.  We  will  complement  this  approach  with  super-­resolution  and  electron  microscopy,  genetic  perturbations  and  functional  assays  in  both  human  cell  lines  and  in  the  model  organism  C.  elegans.  Through  this  dual  strategy,  we  expect  to  elucidate  the  principles  by  which  the  ER-­Golgi  interface  is  formed,  maintained, and how its spatial organization impacts cellullar functions.