无膜细胞器 两篇Cell揭示无膜细胞器形成机制及其对细胞DNA的影响

在两项新的研究中，美国普林斯顿大学的研究人员通过开发两种利用光探索细胞行为奥秘的新工具，报告了称为无膜细胞器的细胞成分的形成条件及其对细胞DNA的影响。相关研究成果发表在2018年11月29日的《细胞》杂志上。论文题目是“利用可光寡聚化的种子绘制活细胞局部和整体液相行为图”和“液态核冷凝器机械地感知和破坏基因组”。普林斯顿大学化学和生物工程副教授克利福德·布兰文是这两篇论文的通讯作者。

图片来自cell，doi: 10.1016/j.cell.2018.10.048。

Brangwynne表示，从长远来看，研发中使用的两种光控系统至少和这两篇论文的研究成果一样重要。这些研究人员开发的工具使科学家能够准确检测细胞中的相分离——一种将细胞中混乱的液体物质转化为功能性细胞隔间(即无膜细胞器)的过程。

虽然这些细胞器长期以来被忽视，但已经证明它们在人类健康中起着关键作用。例如，它们的液体样稠度的丧失与包括癌症、阿尔茨海默病和肌萎缩侧索硬化在内的疾病有关。布兰文实验室以前的研究表明，无膜细胞器在细胞生长中起着重要作用。两篇新发表的细胞论文之一证明它们也影响控制细胞行为的基因。

布兰文说，“我们最近开发的控制细胞内相变的技术已被证明是基础研究的有力工具，并有许多应用，特别是在人类健康方面。”

在第一项研究中，Brangwynne团队开发了一种称为Corelets的工具，并使用它来定量描述促进细胞相分离的蛋白质浓度。鉴于蛋白质浓度有助于调节无膜细胞器的组装，这种称为相图的描述将有助于科学家研究这些无膜细胞器在细胞的某些局部区域而不是在其他局部区域产生的机制。反过来，这可能表明一种处理错误蛋白质聚集体的方法。

这个Corelets工具使用基因修饰的光敏蛋白质，当暴露在光线下时，它们会改变形状，改变自己的行为。在这项研究中，这些光敏蛋白质是称为铁蛋白的人类血液蛋白质，它们聚集在一起形成一个微小的球体。暴露在蓝光下会导致其他蛋白质结合到这个铁蛋白球体上。通过改变一些参数，这些研究人员可以使用这种技术来触发细胞不同区域的相分离。

在第二项研究中，Brangwynne团队研究了无膜细胞器的形成如何影响细胞核。这些研究人员开发了一种叫做CasDrop的工具。CasDrop是基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的光遗传学工具，可以用来定位细胞中的特定基因。他们把Cas9设计成一个平台。一旦被光激活，其他蛋白质与特定基因结合，局部分离。结果，染色质上形成了微小的液滴。

这些研究人员使用这个工具来研究染色质，染色质是细胞核中DNA、RNA和蛋白质的混合物。他们发现，当细胞核中形成无膜细胞器时，它们会以意想不到的方式使染色质变形。他们发现，形成的液滴可以挤出不需要的基因，但同时可以将特定的目标基因聚集在一起。因此，这些液滴可以像小型机械活动机一样发挥基因组重建的作用。

总之，这些研究人员开发了这两种光学工具来研究蛋白质之间的相互作用如何在活细胞中动态形成具有相变特性的聚集体。这两篇论文突出了物理学和细胞生物学交叉领域的令人兴奋的发现，这将有助于人们在未来开发癌症和阿尔茨海默病的新疗法。

参考文献:

丹·布拉查等，利用光寡聚种子绘制活细胞局部和整体液相行为，细胞(2018)。DOI: 10.1016/j.cell.2018.10.048

申永达等。液态核浓缩物机械感知和重组基因组，细胞(2018)。DOI: 10.1016/j.cell.2018.10.057