Nature：揭示核仁等无膜细胞器形成的成分依赖性机制

2020年5月15日讯/BIOON/---细胞器是细胞中类似器官的区室，与许多细胞功能有关。有一大类细胞器在形成时是不含有膜的，而且越来越多地被称为凝结物（condensate），这是因为人们普遍认为它们是通过液体凝结形成的，就像草上的露珠一样。但由于这些细胞器没有膜，科学家们仍然不了解控制哪些分子能进入凝结物而哪些分子被排除在外的规则。

液体凝结模型的一个预测是，当蛋白和其他生物分子的浓度变得足够高从而导致它们从周围的细胞环境中“凝结”时，这些结构就会形成。美国普林斯顿大学化学与生物工程博士后研究员Joshua A. Riback说道，“这就像在水里加盐一样。盐会进入溶液中；但如果你加入足够多的盐，在某一时刻它就会停止进入溶液，这时盐晶体就会形成。但是当我们研究时，我们发现情况并非如此。”

相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Composition-dependent thermodynamics of intracellular phase separation”。Riback和普林斯顿大学前研究员Lian Zhu这篇论文的论文第一作者。

Riback和Zhu与普林斯顿大学化学与生物工程教授、霍华德-休斯医学研究所研究员Clifford Brangwynne领导的同事们合作，发现凝结物的形成也在很大程度上取决于细胞中存在的多种化合物。人们此前认为，当细胞中积累了足够多的生物大分子，如蛋白质或RNA等，凝结物就会形成。但答案却比这更有趣。

Riback说，“不同类型的生物大分子的比例非常重要。这就是所谓的成分依赖性（compositional dependence）。”

或者用Brangwynne的比喻来说：“这就像做饭一样：我在这道菜里加了太多的盐吗？那要看锅里已经有多少洋葱了！”

成分依赖性的原因之一是蛋白和RNA在分子水平上的相互作用方式。凝结物需要一定量的相互作用，这取决于生物大分子的类型和组成。这些研究人员发现，不同类型的分子之间的相互作用，即异型相互作用（heterotypic interaction），是推动这些结构形成所必需的。一种生物大分子的某些成分过低或过高都会限制了能够形成的异型相互作用的数量。

这些研究人证实了这种成分依赖性对细胞中关键分子机器组装的重要性。其中一个例子是核糖体的产生---对细胞内所有蛋白的生产至关重要---在称为核仁的液体凝结物中形成。Riback说，核糖体亚基的形成类似于折纸。当形状完成后，核糖体亚基不再有足够的可形成连接从而使其与核仁内的周围液体粘附在一起的可用区域。于是，它被释放，允许它出去并在整个细胞中发挥作用。

Riback说，“当RNA折叠成纸天鹅时，这一点不能再起作用了。因此，如果经过适当折叠，它就被释放出去。”

论文共同通讯作者Richard Kriwacki说，这些这些发现为提供了重要的新见解。Kriwacki 说，“"这项研究强调了相分离的过程如何使像核仁这样复杂的无膜细胞器通过将它的蛋白组成与它自身的功能输出---核糖体，即合成蛋白的分子机器---联系起来，从而对变化的细胞条件做出反应。我们的数据表明，由于细胞中的核仁蛋白合成方式不同，相分离有助于控制核仁结构、动力学和功能。”

这些研究人员通过给蛋白标记荧光标记物进行实验，并利用荧光来观察蛋白浓度的变化如何影响凝结物的形成。Riback说，这个实验的灵感来自于他们试图通过触发细胞过度表达某些类型的蛋白来增加凝结物的大小。当这改变了凝结物的组成和稳定性后，他们开始研究其中的原因。

他说，“我想了解蛋白是如何形成凝结物的。事实表明在细胞中的情况要比在试管中复杂得多。”（100医药网 100yiyao.com）

参考资料：

1.Joshua A. Riback et al. . Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2256-2.

2.New rules for the physical basis of cellular organelle composition

https://phys.org/news/2020-05-physical-basis-cellular-organelle-composition.html