摘要：生物凝析物的形成對(duì)細(xì)胞活動(dòng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了它們附近的范圍。
在活細(xì)胞中，對(duì)電化學(xué)環(huán)境的調(diào)節(jié)被認(rèn)為是由離子通道管理的，離子通道是位于細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)復(fù)合物，具有明確的形狀。因此，令人驚訝的是，電化學(xué)環(huán)境也是由與離子通道完(空)全不同的物體來(lái)管理的——這些物體不受束縛地漂浮在細(xì)胞質(zhì)中，就像在一個(gè)微型熔巖燈里一樣。而且，就像熔巖燈的內(nèi)容物一樣，這些物體是可變形的斑點(diǎn)。
這些團(tuán)狀物，更確切地說(shuō)是生物分子凝聚物，是液體狀的，自組裝的，無(wú)膜束縛的，相分離的隔間。人們已經(jīng)知道它們會(huì)產(chǎn)生局部影響。例如，生物分子凝聚物可以分離或聚集某些分子，阻礙或促進(jìn)所述分子的活性，通常是蛋白質(zhì)和核酸。此外，生物分子凝聚物可以提供一種替代能源，可能為生物化學(xué)的某些方面提供動(dòng)力。
圖1 生物分子凝聚體調(diào)節(jié)細(xì)胞電化學(xué)平衡
現(xiàn)在，由于杜克大學(xué)和圣路易斯華盛頓大學(xué)的研究人員的工作，我們知道生物分子凝聚物也可以產(chǎn)生非局部效應(yīng)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)生物分子凝聚物形成時(shí)，它們可以產(chǎn)生電位梯度，直接影響細(xì)胞質(zhì)pH和膜電位，這些特性反過(guò)來(lái)影響細(xì)胞的整體特性和結(jié)果。在杜克大學(xué)和華盛頓大學(xué)研究小組研究的細(xì)菌細(xì)胞中，這些全球特征包括對(duì)抗生素的耐藥性。
詳細(xì)的研究結(jié)果發(fā)表在《Cell》雜志上，題為“生物分子凝聚體調(diào)節(jié)細(xì)胞電化學(xué)平衡"的文章。
“由于被動(dòng)的環(huán)境影響，凝結(jié)物的形成……放大了細(xì)胞-細(xì)胞電化學(xué)特性的可變性，"該文章的作者報(bào)告說(shuō)。電化學(xué)平衡的調(diào)節(jié)進(jìn)一步控制了細(xì)胞與環(huán)境的相互作用，從而直接影響了細(xì)菌在抗生素脅迫下的生存。凝結(jié)物介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)電化學(xué)平衡的轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)了全球基因表達(dá)譜的變化。"
“我們的研究表明，冷凝物對(duì)細(xì)胞的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了直接的物理接觸，幾乎就像它們與細(xì)胞與環(huán)境的相互作用有一種無(wú)線連接，"杜克大學(xué)的Lingchong You說(shuō)，他是該研究的兩位資深作者之一?！俺苏故具@種連接背后的電機(jī)制外，我們還證明了凝聚物的形成可以使細(xì)胞對(duì)某些類型的抗生素更耐受，而對(duì)其他類型的抗生素更敏感。"
“這可能只是冰山一角，"該研究的另一位資深作者、杜克大學(xué)的Ashutosh Chilkoti補(bǔ)充道?！拔覀冾A(yù)計(jì)這些電位效應(yīng)會(huì)通過(guò)細(xì)胞行為以各種各樣的方式表達(dá)出來(lái)。"
冷凝物的作用有點(diǎn)像海綿，在形成時(shí)吸收各種蛋白質(zhì)、酶、離子和其他生物分子，同時(shí)排除其他生物分子。如果它們?cè)诎抑胁东@了足夠多的離子，使其帶正電荷或負(fù)電荷，這種不平衡必然會(huì)反映在它們周圍的細(xì)胞環(huán)境中。
圖2 凝聚物調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)的電化學(xué)平衡
這種靜電活動(dòng)為生物凝聚物的形成提供了一個(gè)手柄，從而影響細(xì)胞膜的電勢(shì)和細(xì)胞內(nèi)的電化學(xué)環(huán)境。由于這些環(huán)境因素對(duì)許多生物過(guò)程至關(guān)重要，它為這些不起眼的斑點(diǎn)提供了一種機(jī)制，可以直接影響細(xì)胞與周圍環(huán)境的相互作用。
該研究的主要作者、華盛頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程助理教授Yifan Dai解釋說(shuō):“即使是少量的這些凝聚物集中分布在遠(yuǎn)離細(xì)胞膜的地方，也會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，從而改變這種整體特性。這篇論文表明，這些影響是無(wú)法逃避的。只要這些微小的斑點(diǎn)形成，許多事情都會(huì)受到影響，甚至是全球范圍內(nèi)的基因調(diào)控。當(dāng)我看到這一點(diǎn)時(shí)，我感到非常震驚。"
為了證明這一點(diǎn)，研究人員努力證明這種現(xiàn)象會(huì)影響細(xì)菌與某些抗生素相互作用的生存能力。研究人員通過(guò)以正確的方式對(duì)大腸桿菌菌落施加壓力或操縱凝聚形成蛋白質(zhì)的基因表達(dá)，使它們形成內(nèi)部凝聚體。然后，他們測(cè)試了細(xì)胞膜上產(chǎn)生的電荷，并將它們暴露在抗生素中。
結(jié)果表明，凝聚物的形成導(dǎo)致一些細(xì)胞膜帶更多的負(fù)電荷，這直接影響到細(xì)胞是否與抗生素反應(yīng)，因?yàn)樗鼈円彩菐щ娏Ｗ印５芯咳藛T表示，這只是這條研究路線的開(kāi)始，因?yàn)樵S多生化過(guò)程都依賴于細(xì)胞膜內(nèi)的電位。
“我們的工作揭示了凝聚物在調(diào)節(jié)整體細(xì)胞生理中的作用，雖然我們還沒(méi)有對(duì)細(xì)胞如何利用這種活動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)它們的功能有一個(gè)具體的機(jī)制理解，但它確實(shí)發(fā)生了，這是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。"
參考資料
[1] Cross-disorder and disease-specific pathways in dementia revealed by single-cell genomics.
