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调味瓶中的细胞生物学

来源:中国科学报 2018-05-03 13:06

 

任何同衰老相关的疾病可能都始于细胞失去对相位分离的控制。

当David Courson和Lindsay Moore抵达美国马萨诸塞州伍兹霍尔市参加夏季交流项目时,他们期望尝试一些新技术并且见识下高端显微镜。作为研究生,两人从未想到会帮助解决一个困扰研究人员超过25年的生物学问题。

他们在海洋生物学实验室的导师让其破译由RNA和被称为P颗粒的蛋白组成的团粒如何在蠕虫胚胎内形成——考虑到这些结构曾令生物学家困惑如此之久,这是一项难以完成的任务。不过,当Courson和Moore开始制作该过程的影片时,他们及其导师看到了一些在显微镜下发生的不同寻常的事情:就像熔岩灯里的泡泡一样,P颗粒也在不断地碰撞、合并。

固体结构不会这样做,只有液体能做到。他们意识到,和此前大多数研究人员认为的不同,P颗粒并非坚硬的核。相反,它们表现得像被用力摇晃的调味瓶中的油滴——先是散开,然后迅速融合并且混合成较大的液体气泡。

在工程、化学和物理学领域,这个过程是一个基本概念,被称为液—液相分离。当有外力推动两种液体分开时,它便会发生,就像油在水面上漂浮。相位分离在自然界很普遍,并且在很多工业过程中至关重要。不过,它并非如今在欧道明大学工作的细胞生物学家Courson想到的点子。当看见P颗粒像液体一样融合时,“这真是一个了不起的时刻”。Courson说,“但我并不理解它的意义。”

在短暂的夏季课程中,两人并没有更多时间分析这一过程。不过,当他们的导师、细胞生物学家Tony Hyman和博士后、生物物理学家Cliff Brangwynne返回位于德国马普学会分子细胞生物学遗传学研究所(MPI-CBG)的实验室时,二人开展了更多试验:将充满P颗粒的蠕虫生殖腺夹在两片薄薄的玻璃板中间,并且让玻璃板滑动。在滑动的玻璃板产生的剪切应力下,固体会被轻揉出来,而P颗粒会融合、滴落并且形成珠状,就像雨滴落在伞上。

此时,他们才明白这项发现的重要性。相位分离可能提供了一种集合特定分子并将其他分子排除在外,从而在一片拥挤混乱的细胞中创建秩序的方法。Hyman表示,这是生物学家在利用任何正式、定量方法开展研究时未曾考虑过的壮举。“这是人们从未想过要问的若干问题之一。”Hyman和Brangwynne在2009年发表了他们的成果。

相位分离获证实

2011年,Hyman、哈佛大学医学院细胞生物学家Tim Mitchison和Brangwynne(同一年在普林斯顿大学建立了自己的实验室)证实,核仁——细胞核中由遗传物质和蛋白质形成的密集团簇——也表现出像液滴一样的行为。一年后,由均在得克萨斯大学西南医学中心工作的结构生物学家Michael Rosen和生物化学家Steven McKnight领导的独立团队研究了试管中的蛋白质和RNA分子集合体。他们发现,这些分子被微弱地相互吸引在一起,并由此形成液滴和胶状泡泡。

和Brangwynne、Hyman此前的工作不同,这些在2012年开展的研究证实,利用相对简单的生物化学“处方”,相位分离可在试管中再现。Rosen表示,这使得在实验室中研究相位分离变得容易很多,并且从那里开始,“该领域开始爆发”。

真正的繁荣始于2015年初。当时,由加拿大多伦多病患儿童医院结构生物学家Julie Forman-Kay领导的团队发现,一种对精子功能有重要意义的蛋白质会在人类细胞内形成液滴。此后不到一年,好几个团队发表了利用其“宠物”蛋白质证实相位分离存在的论文。

其中一些蛋白质涉及疾病发生。研究人员在运动神经元病,或者说肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)中发现了相位分离。ALS是一种神经退行性疾病,其特征是控制运动的神经细胞中的蛋白质形成异常团块。研究证实,当这些蛋白质和其他分子结合、从周围的细胞质分离并且形成液滴时,形成团块的过程便会开始。这些泡泡变得越来越黏,最终硬如岩石。“就像把室温下的蜂蜜放入冰箱。”田纳西州圣犹大儿童研究医院分子神经遗传学家Paul Taylor介绍说。他在同ALS相关的4种蛋白质中发现了相位分离。

错误相位或引发疾病

若干其他疾病可能也归根于错误的相位。最近,马萨诸塞州总医院(MGH)分子生物物理学家Susanne Wegmann和同事描述了tau 蛋白质中的相位分离。tau 蛋白质会在阿尔茨海默氏症患者的大脑中聚集形成缠结。相位分离“可能是发生这种聚集的初始触发因素”。Wegmann表示,此项发现“开始将这些不同的神经退行性疾病之间的点连接起来”。

相位分离过程中的错误还可能促发一些癌症。去年,由MGH分子病理学家Miguel Rivera领导的团队辨别出一种同尤文氏肉瘤相关的蛋白质。当该蛋白质在同肿瘤形成相关的基因组片段附近聚集时,便会激发致癌基因的活性。异常的相位分离使蛋白质在这些区域累积。在日前于旧金山举行的美国生物物理学会年会上,来自圣犹大儿童研究医院的结构生物学家Tanja Mittag概述了一种通常将液滴内的致癌分子分离并且摧毁的蛋白质,如何在因液滴不再形成而发生突变时激发癌症。

这些研究促使Hyman和MPI-CBG 生物化学家Simon Alberti提出,实际上任何同衰老相关的疾病可能都始于细胞失去对相位分离的控制。Alberti说,身体总是在为保持细胞“房屋”的井然有序而努力,“但在某些时刻,系统会崩溃”。

新工具带来新活力

此类研究正在指明细胞中液滴的一些功能,但它们无法解释为何一些成分会表现出相位分离,而其他的不会。这让像Hyman一样的研究人员感到挫败。“我们不得不定义驱动相位分离的分子规则。”Hyman表示。为实现这一点,研究人员需要一种按自身意愿在活体细胞中探查、控制和融合该过程的方法。正如Brangwynne所言,“我们需要工具。”

普林斯顿大学一座建于上世纪70年代的混凝土大楼的3层有一个黑暗、无窗的房间。在那里,Lian Zhu弯腰观察着一台显微镜。一个点缀着红色泡泡的人类细胞让她的电脑屏幕亮了起来。上面的每个点表示一群经过相位分离后形成核仁的蛋白质。

Zhu是Brangwynne实验室的一名博士生。他向细胞内的一个地方发射了蓝色激光。几秒钟内,新的泡泡从黑色乙醚中出现。这些是来自核仁的被荧光标记的蛋白质。当被蓝光照亮时,它们开始同该类型的其他蛋白质黏附在一起。超过特定阈值后,便会触发相位分离。

这正是Zhu研究的细胞内发生的事情。红色的小点是在开始相互合并前出现并且在屏幕周围“起舞”的液滴。“这像一个魔术。”Zhu介绍说。通过令光量发生变化,Brangwynne及其团队能将活体细胞内的各种液体“隔间”变得坚实或松散,并且触发液滴出现或者消失。利用该工具,Zhu开始描述核仁液滴形成的条件,并且证实相位分离如何在核仁的某个部分发生但无法在其他部分出现。

Brangwynne希望,这个被称为optoDroplet的工具将为相位分离研究带来新的活力。“现在,我们实际上能接近对于非活体材料来说非常标准的细节水平。你能够通过定量的方法理解实际上发生了什么。”Brangwynne说。这或许是基础生物学研究的一个巨大推动力,并且可能通过证实制造或者打破细胞内的液滴需要多大程度的操作,帮助研究人员研发出相关药物。(生物谷Bioon.com)

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