在兩項新的研究中，美國普林斯頓大學的研究人員通過開發(fā)出兩種利用光探測細胞行為奧秘的新工具，報道了稱為無膜細胞器（membraneless organelle）的細胞組分形成的條件以及這種形成對細胞DNA的影響。相關研究結果發(fā)表在2018年11月29日的Cell期刊上，論文標題分別為“Mapping Local and Global Liquid Phase Behavior in Living Cells Using Photo-Oligomerizable Seeds”和“Liquid Nuclear Condensates Mechanically Sense and Restructure the Genome”。普林斯頓大學化學與生物工程副教授Clifford Brangwynne是這兩篇論文的通訊作者。

Brangwynne說，從長遠來看，開發(fā)研究中使用的這兩種光操縱系統(tǒng)至少與這兩篇論文的研究結果一樣重要。這些研究人員開發(fā)出的工具讓科學家們能夠準確地探測細胞內(nèi)的相分離---一種將細胞內(nèi)混亂的液體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄约毎麉^(qū)室（即無膜細胞器）的過程。

盡管長期以來，這些細胞器受到人們的忽視，但是經(jīng)證實它們在人類健康中起著關鍵作用。比如，它們的液體樣稠度的喪失與包括癌癥、阿爾茨海默病和肌萎縮側(cè)索硬化癥在內(nèi)的疾病有關。 Brangwynne實驗室之前的研究已表明無膜細胞器在細胞生長中起著重要作用。在他們最新發(fā)表的這兩篇Cell論文中，就有一篇論文證實它們也影響著控制細胞行為的基因。

Brangwynne說，“我們最近開發(fā)的這些用于控制細胞內(nèi)相變的技術經(jīng)證實是基礎研究的強有力工具，并且具有許多應用，特別是在人類健康方面。”

在第一項研究中，Brangwynne團隊開發(fā)出一種稱為Corelets的工具，并利用它定量地描述細胞中促進相分離的蛋白的濃度。鑒于蛋白濃度有助于調(diào)節(jié)無膜細胞器的組裝，這種稱為相圖（phase diagram）的描述將有助于科學家們研究在細胞的某些局部區(qū)域而不在其他的局部區(qū)域產(chǎn)生這些無膜細胞器的機制。這接著可能指出處理發(fā)生差錯的蛋白聚集物的方法。

這種Corelets工具使用了經(jīng)過基因改造的光敏蛋白，當接受光線照射時，它們會發(fā)生形狀變化和改變它們自身的行為。就這項研究而言，這些光敏蛋白是稱為鐵蛋白的人血液蛋白，它們聚集在一起形成一種微小的球體。接受藍光照射導致其他的蛋白結合到這種鐵蛋白球體上。通過改變某些參數(shù)，這些研究人員能夠利用這種技術觸發(fā)細胞不同區(qū)域中的相分離。

在第二項研究中，Brangwynne團隊研究了無膜細胞器的形成如何影響細胞核。這些研究人員開發(fā)出一種稱為CasDrop的工具。CasDrop是一種基于CRISPR/Cas9基因編輯技術的光遺傳學工具，可用來確定細胞中特定基因的位置。他們將Cas9設計成一個平臺，一旦經(jīng)光激活后，其他的蛋白與特定基因結合從而在局部發(fā)生相分離，結果就是在染色質(zhì)上形成微小的液滴。

這些研究人員利用這種工具研究了染色質(zhì)，即細胞核內(nèi)DNA、RNA和蛋白的混合物。他們發(fā)現(xiàn)，當無膜細胞器在細胞核內(nèi)形成時，它們會以意想不到的方式讓染色質(zhì)變形。他們發(fā)現(xiàn)所形成的液滴會擠出不需要的基因，但能夠同時將特定的靶基因聚集在一起。因此，這些液滴能夠像小的機械活動機器一樣發(fā)揮著重構基因組的作用。

總之，這些研究人員開發(fā)出這兩種光學工具來研究蛋白之間的相互作用如何動態(tài)地在活的細胞中形成具有相變性質(zhì)的聚集物。這兩篇論文突出了在物理學與細胞生物交叉領域取得的令人興奮的發(fā)現(xiàn)，它們將有助于人們在未來開發(fā)出治療癌癥和阿爾茨海默病等疾病的新方法。

參考資料：

Dan Bracha et al. Mapping Local and Global Liquid Phase Behavior in Living Cells Using Photo-Oligomerizable Seeds, Cell (2018). DOI: 10.1016/j.cell.2018.10.048

Yongdae Shin et al. Liquid Nuclear Condensates Mechanically Sense and Restructure the Genome, Cell (2018). DOI: 10.1016/j.cell.2018.10.057