生命化学中细胞序的新发现
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2021-01-11 17:03
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火星译客

想象一下,将世界上所有的人都挤进犹他州的大盐湖中,我们所有人都肩并肩拥挤,而且还以极高的速度冲过彼此。英国细胞生物学家,德累斯顿马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所所长安东尼·海曼说,这使您对一个典型的细胞中50亿个蛋白质的拥挤程度有了一些了解。

在那种繁华的细胞质中,酶需要找到它们的底物,而信号分子需要找到它们的受体,因此细胞可以执行生长,分裂和存活的工作。如果细胞晃动成袋的均匀混合的细胞质,那将很难实现。但事实并非如此。膜结合的细胞器有助于组织某些内容物,有效地分隔材料组并提供能够进行重要过程的表面,例如产生细胞的生化燃料ATP。但是,由于科学家仍只是开始欣赏,它们只是秩序的一种来源。

最近的实验表明,某些蛋白质自发地聚集在称为冷凝物的瞬时组装中,这是对分子力的响应,这些分子力精确地平衡了细胞内液滴的形成和溶解之间的过渡。冷凝物有时被称为无膜细胞器,可以从细胞质的其余部分隔离特定的蛋白质,从而防止不必要的生化反应并大大提高了有用的蛋白质的效率。这些发现改变了我们对细胞工作原理的基本理解。

例如,冷凝物可以解释许多细胞过程的速度。 “关于冷凝物的关键是-它不像工厂。它更像是快闪族。你打开收音机,每个人都走到一起,然后关闭它,每个人都消失了。”海曼说。

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核仁是细胞核内最大的结构,是具有内部结构的冷凝物。在这些来自青蛙细胞的染色核仁中,不同蛋白质的冷凝物相互嵌套。图片由Marina Feric和Clifford Brangwynne提供

这样,该机制“可以很好地调节”,加利福尼亚大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的细胞生物学家加里·卡尔彭说。 “通过改变分子的浓度,您就可以形成这些东西并很容易地溶解它们”或对蛋白质进行化学修饰。这种精度为控制包括基因表达在内的许多其他现象提供了杠杆作用。

这种机制的第一个提示是在2008年夏天,当时海曼和他当时的博士后研究员Cliff Brangwynne(现在是普林斯顿大学的霍华德·休斯医学研究所的研究员)在著名的海洋生物实验室生理学课程中进行教学并研究胚胎发育线虫round。当他们和他们的学生观察到受精虫卵中的RNA聚集形成可相互分离或融合的液滴时,Hyman和Brangwynne推测这些“ P颗粒”是通过细胞质中的相分离形成的,就像油中的油滴一样。香醋。

这项提议于2009年在《科学》杂志上发表,当时并没有引起太大关注。但是,有关细胞相分离的更多论文出自2012年左右,包括在达拉斯的德克萨斯大学西南医学中心的迈克尔·罗森(Michael Rosen)实验室进行的一项关键实验,该实验表明细胞信号蛋白也可以表现出这种相分离行为。到2015年,论文流变成了洪流,从那时起,关于生物分子冷凝物的研究就如火如荼,这些液体状细胞隔室既具有弹性又具有粘性。

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插图:Samuel Velasco / Quanta杂志

现在,细胞生物学家似乎在他们所看到的任何地方都发现了冷凝物:在基因表达的调节,有丝分裂纺锤体的形成,核糖体的组装以及细胞核和细胞质中的许多细胞过程中。这些冷凝物不仅新颖,而且发人深省:它们的功能来自分子的集体行为的观点已成为冷凝物生物学的中心概念,并且与生化试剂对及其靶标的经典图片形成鲜明对比。可以像锁和钥匙一样装配在一起。研究人员仍在研究如何探索这些新兴特性的功能。这将需要开发新技术来测量和操纵细胞中微小液滴的粘度和其他特性。

是什么驱动液滴形成

当生物学家第一次尝试解释是什么导致了活细胞凝结背后的相分离现象时,蛋白质本身的结构提供了一个自然的起点。折叠良好的蛋白质通常具有亲水性和疏水性氨基酸的混合物。疏水性氨基酸倾向于将自身掩埋在蛋白质折叠中,远离水分子,而亲水性氨基酸则被吸引到表面。这些疏水性和亲水性氨基酸决定了蛋白质如何折叠并保持其形状。

但是有些蛋白质链的疏水氨基酸相对较少,因此没有理由折叠。相反,这些内在无序的蛋白质(IDP)形式波动并参与许多弱的多价相互作用。多年来一直认为IDP相互作用是对类液滴行为的最佳解释。

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核仁在a虫的这种染色组织中显示为绿点。每个细胞,无论其大小如何,都具有单个核仁。最近的研究表明,核仁的大小取决于细胞中核仁蛋白的浓度。图片由Stephanie Weber提供

但是,去年,Brangwynne发表了几篇论文,着重强调了IDP的重要性,但“在强调IDP方面,领域已经走得太远了。”他说,大多数与冷凝物有关的蛋白质具有相同的结构,其中包含一些结构域和一些无序区域。要播种冷凝物,分子必须与其他分子具有许多弱的多价相互作用,并且有另一种方法可以实现:低聚。

当蛋白质彼此结合并与重复单元形成更大的复合物(称为寡聚体)时,发生寡聚化。随着蛋白质浓度的增加,相分离和低聚物的形成也随之增加。 Brangwynne在12月举行的美国细胞生物学学会会议上的一次演讲中指出,随着低聚物浓度的增加,它们相互作用的强度最终克服了成核障碍,即形成将冷凝液与其余部分分离的表面所需的能量。细胞质。那时,蛋白质将自身包含在液滴中。

在过去的五年中,研究人员在了解蛋白质的这种集体行为是如何由微小的物理和化学力产生的方面取得了长足的进步。但是他们仍在学习细胞如何(以及是否)实际利用这种现象来生长和分裂。

冷凝物和基因表达

冷凝物似乎涉及细胞生物学的许多方面,但是受到特别关注的一个领域是基因表达和蛋白质生产。

核糖体是细胞的蛋白质制造工厂,核糖体在细胞中的数量通常会限制其生长速度。 Brangwynne等人的工作表明,快速生长的细胞可能会从细胞核中最大的凝结物:核仁中获得帮助。核仁通过收集所有必需的转录机制,包括构成核糖体RNA的特定酶(RNA聚合酶I),促进了核糖体RNA的快速转录。

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普林斯顿大学的Cliff Brangwynne认为,凝结物的形成通常可能是由寡聚化过程驱动的,在寡聚化过程中,蛋白质以具有重复亚基的大复合物的形式结合在一起.John D.和Catherine T.MacArthur基金会提供

几年前,Brangwynne和他当时的博士后Stephanie Weber(现为蒙特利尔麦吉尔大学的助理教授)研究了早期秀丽隐杆线虫如何控制核仁的大小(因此也控制了核糖体RNA的合成速度) 胚胎。由于蠕虫对每个胚胎贡献相同数量的蛋白质,因此小胚胎的蛋白质含量高,而大胚胎的蛋白质含量低。正如研究人员在2015年《现代生物学》论文中报道的那样,核仁的大小与浓度有关:小细胞核仁较大,大细胞核仁较小。

Brangwynne和Weber发现,通过人为改变细胞大小,他们可以提高和降低蛋白质浓度和所形成核仁的大小。实际上,如果它们将浓度降低到临界阈值以下,则不会发生相分离,也不会出现核仁。研究人员基于冷凝物形成的物理原理得出了一个数学模型,该模型可以准确预测细胞中核仁的大小。

现在,韦伯(Weber)正在寻找细菌的冷凝物,这些细菌的细胞较小,并且没有膜结合的隔室。她说:“也许这是分隔的一个更为重要的机制,因为它们[细菌]没有其他选择。”

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在这一系列图像中,溶液中的纯化细菌转录因子通过凝结成球形液滴然后融合在一起而像流体一样起作用。研究人员正在研究冷凝液是否可能在调节细菌细胞和真核细胞中发挥作用。

去年夏天,韦伯发表了一项研究,表明在慢速生长的大肠杆菌细胞中,RNA聚合酶是均匀分布的,而在快速增长的细胞中,则呈液滴状聚集。快速生长的细胞可能需要在核糖体基因周围集中聚合酶,以有效地合成核糖体RNA。

韦伯说:“ [相分离]似乎存在于生活的所有领域,一种普遍的机制可以专门化为一整套不同的功能。”

尽管Weber和Brangwynne表明主动转录发生在一个大的冷凝物中,但核仁和细胞核中的其他冷凝物却相反。细胞核中大部分的DNA被归类为异染色质,因为它们更紧密并且通常不表达为蛋白质。 2017年,Karpen,Amy Strom(现为Brangwynne实验室的博士后)及其同事表明,某种蛋白质将经历相分离并在果蝇胚胎的异染色质上形成液滴。这些液滴可以相互融合,可能提供了一种在核内压实异染色质的机制。

结果也为长期存在的谜团提供了令人兴奋的可能解释。几年前,遗传学家发现,如果他们采用一个主动表达的基因并将其置于异染色质旁边,该基因将被沉默,就像异染色质状态正在扩散一样。卡彭说:“这种传播现象是很早就出现的,没人真正理解。”

后来,研究人员发现了参与表观遗传调控的酶,称为甲基转移酶,他们假设甲基转移酶会简单地从一个组蛋白开始,沿着DNA链从异染色质进入相邻的常染色质,这是一种“酶促过程机制”,Karpen说过。在过去的20年中,这一直是解释这种现象的主要模型。但是Karpen认为,位于异染色质上的冷凝物,像一串湿珠一样,可能是另一种机制的产物,这些机制解释了沉默异染色质状态的扩散。他说:“从根本上来说,这是思考生物学如何运作的不同方式。”他现在正在努力检验假设。

在这些果蝇胚胎中,随着细胞分裂,染色体(粉红色)变厚并分离。然后异染色质蛋白(绿色)开始凝结成小液滴,这些小液滴生长并融合在一起,似乎有助于组织遗传物质供细胞使用。视频:加里·卡彭(Gary Karpen)

长丝的形成

冷凝物还有助于解决不同的细胞谜团-不是在细胞核内,而是沿着细胞膜。当配体与细胞表面的受体蛋白结合时,它会引发一系列的分子变化和运动,从而通过细胞质传递信号。但是要做到这一点,首先必须将机制中所有分散的参与者聚集在一起。 Lindsay Case解释说,研究人员现在认为相分离可能是细胞用来在膜受体处聚集所需信号分子的一个技巧。LindsayCase曾在Rosen实验室接受过博士后培训,并将于本月在麻省理工学院开始自己的实验室。

Case指出,通常用于转导信号的蛋白质修饰(例如添加磷酸基)会改变蛋白质的化合价,即其与其他分子相互作用的能力。因此,修饰也影响蛋白质形成冷凝物的倾向。凯斯说:“如果您考虑一个细胞在做什么,它实际上是在调节这个价数的参数。”

冷凝物在调节和组织小单体亚基聚合成长蛋白丝时也可能起重要作用。凯斯说:“由于将分子聚集在一起的时间比在冷凝液外的时间更长,因此有利于聚合。”在她的博士后研究中,她发现凝结物可将肌动蛋白聚合成细丝,从而帮助专门的肾细胞维持其异常形状。

微管蛋白的聚合是帮助细胞分裂的有丝分裂纺锤体形成的关键。 Hyman于1980年代在剑桥大学分子生物学实验室攻读研究生期间,对了解有丝分裂纺锤体的形成产生了兴趣。在那里,他研究了单细胞秀丽隐杆线虫胚胎在分裂成两个细胞之前如何形成有丝分裂纺锤体。现在,他正在探索冷凝液在此过程中的作用。

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插图:Samuel Velasco / Quanta杂志

在一项体外实验中,海曼和他的团队创造了与微管结合的tau蛋白的液滴,然后添加了微管蛋白,后者迁移到tau液滴中。当他们向液滴中添加核苷酸以模拟聚合反应时,微管蛋白单体组装成漂亮的微管。 Hyman和他的同事提出,相分离可能是细胞引发微管聚合和有丝分裂纺锤体形成的一般方法。

tau蛋白还因形成蛋白质聚集体而闻名,这些聚集体是阿尔茨海默氏病的标志。实际上,许多神经退行性疾病,如肌萎缩性侧索硬化症(ALS)和帕金森氏病,都涉及细胞中蛋白质聚集体的错误形成。

为了研究这些聚集体的形成方式,Hyman的团队研究了一种名为FUS的蛋白质,该蛋白质具有与ALS相关的突变形式。 FUS蛋白通常存在于细胞核中,但在受压细胞中,该蛋白会离开细胞核进入细胞质,在细胞质中形成液滴。 Hyman的小组发现,当他们在体外制作突变的FUS蛋白液滴时,仅约8小时后,液滴便凝固成他所谓的“可怕的聚集体”。突变蛋白驱动的液相到固相转变远快于FUS的正常形式。

也许问题不是聚集物为什么在疾病中形成,而是为什么它们不在健康细胞中形成。 “我在小组会议上经常问的一件事是:为什么牢房里没有炒鸡蛋?”海曼在细胞生物学会议上的讲话中说。细胞质中的蛋白质含量“如此浓缩,以至于应从溶液中沉淀出来”。

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从蛙卵的核仁中分离出的两种蛋白质(红色,黄色)可以自发组织成冷凝液滴。通过改变溶液中每种蛋白质的浓度,研究人员可以使两种或两种类型的冷凝物生长或消失。图片由Marina Feric和Clifford Brangwynne提供

当海曼实验室的研究人员将细胞燃料ATP添加到纯化的应激颗粒蛋白的冷凝物中并看到这些冷凝物消失时,出现了一个线索。为了进一步研究,研究人员将蛋清放入试管中,在一个试管中加入ATP,在另一个试管中加入盐,然后加热。尽管盐中的蛋清聚集了,但是带有ATP的蛋白却没有:在活细胞中发现的浓度下,ATP阻止了蛋白质的聚集。

但是如何?直到海曼(Hyman)在班加罗尔(Bangalore)举办研讨会时偶然遇到一位化学家,这一直是一个难题。化学家指出,在工业过程中,使用称为水溶助长剂的添加剂来增加疏水分子的溶解度。回到自己的实验室后,海曼和他的同事发现,ATP就像水溶助长剂一样出色。

有趣的是,ATP是细胞中非常丰富的代谢产物,典型浓度为3-5毫摩尔。大多数使用ATP的酶都能在浓度降低三个数量级的情况下有效运行。那么,如果不需要ATP来促进代谢反应,那么为什么ATP如此集中在细胞内呢?

Hyman建议,一个候选解释是ATP不会在3-5毫摩尔以下时充当水溶助长剂。他说:“一种可能性是,在生命的起源中,ATP可能已经演变成一种生物水溶助长剂,以使生物分子保持高浓度可溶,后来被选作能源。”

Hyman承认,很难通过实验检验该假设,因为在不影响ATP能量功能的情况下操纵ATP的亲水特性具有挑战性。但是,如果这个想法是正确的,那可能会有助于解释为什么蛋白质聚集体通常会在与衰老相关的疾病中形成,因为随着年龄的增长,ATP的产生效率会降低。

液滴的其他用途

蛋白质聚集体显然在神经退行性疾病中是有害的。但是从液相到固相的转变在其他情况下也可以适应。

以原始卵母细胞为例,卵巢中的细胞在进入卵子之前可能会休眠数十年。这些细胞中的每一个都有一个Balbiani体,这是在从蜘蛛到人类的各种生物的卵母细胞中发现的淀粉样蛋白的大型浓缩物。据信,Balbiani身体通过将大部分线粒体与长淀粉样蛋白纤维聚集在一起,在卵母细胞的休眠期保护线粒体。巴塞罗那基因组调控中心的细胞和发育生物学家ElvanBöke解释说,当卵母细胞开始成熟成卵时,这些淀粉样蛋白纤维溶解,巴尔比尼人的身体消失了。博克(Böke)正在努力了解这些淀粉状蛋白纤维如何组装和溶解,这可能会导致治疗不育症或神经退行性疾病的新策略。

蛋白质聚集体还可以解决需要非常快速的生理反应的问题,例如在受伤后停止出血。例如,圆环毛霉Mucor circinelloides)是一种真菌类,具有相互连接的,加压的根状菌丝网络,养分流过。在淡马锡生命科学实验室的研究人员领导的进化细胞生物学家格雷格Jedd最近发现,当他们受伤毛霉菌丝的尖端,原生质涌出在第一,但几乎在瞬间形成进行止血凝胶状插头。

吉德怀疑这种反应是由一种长聚合物介导的,它可能是一种具有重复结构的蛋白质。研究人员鉴定了两种候选蛋白质,发现没有它们,受伤的真菌会灾难性地渗出到原生质的水坑中。

Jedd和他的同事研究了这两种蛋白质的结构,它们分别称为gellin A和gellinB。这些蛋白质具有10个重复结构域,其中一些具有可以与细胞膜结合的疏水氨基酸。蛋白质也以类似于原生质在损伤部位喷涌时所经历的力展开。吉德说:“流量急剧增加,因此我们认为这可能是促使胶凝蛋白改变其状态的触发因素。”由导致胶凝蛋白从液相转变为固相的物理提示触发的栓塞不可逆地固化。

相反,在真菌物种Neurospora中,菌丝被分成多个小室,并带有调节水和养分流量的孔。吉德想知道毛孔是如何打开和关闭的。吉德解释说:“我们发现了一些固有的无序蛋白,它们似乎正在凝结在孔上聚集,从而提供了一种封闭它的机制。”

吉德(Jedd)的小组了解到,作为这项工作的候选人的Neurospora蛋白具有重复的混合电荷域,这些域也可以在某些哺乳动物蛋白中发现。当研究人员合成各种组成不同但长度和电荷模式相似的蛋白质并将其引入哺乳动物细胞时,他们发现蛋白质可以掺入核斑点中,这些斑点是哺乳动物细胞核中的冷凝物,有助于调节基因表达。正如他们和圣路易斯华盛顿大学罗希特·帕普(Rohit Pappu)领导的同事在2020年《分子细胞》论文中所报道的那样。

吉德说,真菌界和哺乳动物界似乎已经独立地采取了一种在基于凝结的机制中使用无序序列的策略,“但出于完全不同的原因,它们在不同的隔室中使用它。”

重新考虑旧的解释

事实证明相分离无处不在,研究人员对这种现象如何参与各种细胞功能产生了很多想法。 Karpen说:“ [相分离]带来了许多令人兴奋的可能性,所以我认为这就是……对这个领域的兴趣。”但他也告诫说,虽然相对容易证明分子在试管中经历了相分离,但证明相分离在细胞中具有功能却更具挑战性。他说:“我们仍然了解的不多。”

布朗温妮同意了。他说:“如果你真的很诚实,那么整个领域还处于起伏不定的阶段。” “了解这些工作原理还为时尚早。它是手波浪状的事实并不意味着液相分离不是关键驱动力。实际上,我认为是。但是它如何真正起作用?

不确定因素也不会阻止海曼。 “让每个人都可以做的相分离是回头看看那些停滞不前的老问题,然后思考:我们现在可以以不同的方式来思考这个问题吗?”他说。 “完成的所有结构生物学都非常出色,但是许多问题却停滞了。他们实际上无法解释事情。这就是相分离所允许的,让每个人都重新考虑这些问题。”

西蒙斯基金会 Simons Foundation)编辑独立的出版物《量子杂志》Quanta Magazine的许可,转载了原始故事其目的是通过涵盖数学,物理和生命科学的研究发展和趋势来增强公众对科学的理解。

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