Cel:光激活optoDroplet对胞内相变进行时空控制 蛋液凝胶器

邓文龙

Cell：利用光激活的optoDroplet对胞内相变进行时空控制
蛋白浓缩成液滴状细胞器 不同的液态和凝胶状固态

来源：生物谷 2017-01-01 13:21

2017年1月1日/生物谷BIOON/---非常复杂的是，细胞中同时发生几千种化学反应。一些反应在特殊的区室（被称作细胞器）内部发生。然而，某些细胞器缺乏任何膜来将它们自己与细胞内浮动的物质区隔开来。这些无膜细胞器在一定程度上作为一种独立的结构存在于细胞的水、蛋白、核酸和其他分子的海洋中。

在一项新的研究中，来自美国普林斯顿大学的研究人员开发出一种新的被称作optoDroplet的工具，该工具提供史无前例地让人们操纵和理解允许无膜细胞器发挥功能的化学反应。相关研究结果于2016年12月29日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Spatiotemporal Control of Intracellular Phase Transitions Using Light-Activated optoDroplets”。基于这种利用光线操纵活细胞内物质的工具，他们已开始解释蛋白如何组装成不同的液态和凝胶状固态，这是理解很多关键的细胞运转过程的关键。

论文共同通信作者、普林斯顿大学化学与生物学工程助理教授Clifford Brangwynne说，“这种optoDroplet工具正开始允许我们分析控制无膜细胞器自我组装的理化规则。人们对这种过程背后的基础机制知之甚少。如果我们能够加以解决，那么可能就有希望为与蛋白聚集相关联的破坏性疾病（如肌萎缩性脊髓侧索硬化症，即ALS）开发出干预措施和治疗方法。”

之前的研究已证实无膜细胞器在细胞内通过一种被称作相变（phase transition）的过程进行组装。Brangwynne和同事们过去几年的研究已揭示出改变某些蛋白的浓度，或者修饰它们的结构，似乎会触发一种相变，从而允许蛋白浓缩成液滴状的细胞器。

迄今为止，大多数研究利用纯化的蛋白在试管中开展实验，而且科学家们很少有方法研究活细胞中的相变。optoDroplet将允许人们了解相变何时发生偏差，导致凝胶状固态，以及让参与阿尔茨海默病和ALS等疾病的蛋白形成晶体聚集物。

optoDroplet依赖于一种被称作光遗传学的技术，该技术涉及行为能够通过光照加以改变的蛋白。研究人员发现他们能够通过开启这些光激活的蛋白，诱导相变和构建无膜细胞器。他们也能够简单地通过关闭光线解除这些相变。增加光线强度和蛋白浓度允许研究人员进一步控制这种相变。通过改变这些输入值，他们能够确定浓缩的液态蛋白液滴结构何时形成，以及可能与疾病存在关联的固态样蛋白何时形成。

Brangwynne说，“optoDroplet给我们提供一种控制水平，这样我们能够准确地绘制出活细胞中的相图。利用这种工具，我们正在开始理解细胞如何利用它们的天然机制经历这种胞内相图来组装不同类型的细胞器。”

利用小鼠细胞和人细胞作为研究对象，研究人员针对来自拟南芥（Arabidopsis thaliana）的一种光敏感性蛋白进行基因融合。蓝光照射导致这种蛋白自我结合，揉成一团。

这种光敏感性的蛋白标记与被认为促进活细胞中相变的蛋白组分融合在一起。利用蓝光，研究人员发现他们能够诱导这些蛋白缩成一团，从而模拟在细胞中自然发生的这种浓缩过程。

研究人员通过打开和关闭蓝光重复性地促进这些蛋白先浓缩在一起然后解散开来。经证实，这一过程是完全可逆的，即便在经过很多轮重复之后。然而，利用高强度的蓝光或高浓度的蛋白，他们构建出半固态的凝胶。这些凝胶起初是可逆的，但是过了一段时间之后，它们发生固化，形成不可逆的块状聚集物，类似于在一些疾病中发现的那些聚集物。

Brangwynne说，“我们利用optoDroplet证实我们能够很容易地组装和解组装相分离的液态结构，而且它们似乎并不给细胞带来任何问题。但是这些凝胶状的组装物似乎会产生更大的问题，这是因为经过很多轮重复之后，它们产生细胞不能够处理的永久性聚集物，而且这些聚集物能够开始扰乱健康的生物学过程。”

一个例子就是蛋白FUS。蛋白FUS在细胞运转中发挥着至关重要的作用：它协助产生其他的蛋白和修复受损的DNA。但是几十种基因突变能够导致FUS变得更具粘性，从而导致ALS。作为一种病人丧失了自主控制其肌肉的能力的神经疾病，ALS的典型特征是神经细胞中堆积着蛋白团块。这些团块可能起源自FUS或者其他的病理性堆积的蛋白，而不再保持动态的液滴结构。

德国海德堡欧洲分子生物学实验室研究员Edward Lemke（未参与这项研究）说，“optoDroplet靶向的蛋白是相分离蛋白的一个重要组分，其中很多相分离蛋白也与广为人知的疾病相关联。这种optoDroplet允许以一种微创性的且高度可控的方式调节细胞内的这些蛋白的状态，因此它能够对它们如何执行它们的功能提供新的见解。”

Brangwynne和同事们期待继续利用optoDroplet开展实验以便更好地理解细胞的复杂行为。（生物谷 Bioon.com）

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Spatiotemporal Control of Intracellular Phase Transitions Using Light-Activated optoDroplets

Yongdae Shin, Joel Berry, Nicole Pannucci, Mikko P. Haataja, Jared E. Toettcher, Clifford P. Brangwynne

doi:10.1016/j.cell.2016.11.054

http://www.cell.com/cell/abstrac ... 6X%3Fshowall%3Dtrue



http://news.bioon.com/article/6696572.html