新工具阐明了细胞成分被忽视的关键作用背后的机制

普林斯顿大学的研究人员创造了一种新的工具，利用光来探测细胞行为的奥秘，并发现了细胞成分的形成，称为无膜细胞器，以及这些细胞器在细胞中发挥的关键作用。

在11月29日发表在《细胞》杂志上的两篇论文中，来自普林斯顿各个部门的研究人员报告了导致无膜细胞器形成的条件以及这种形成对细胞DNA的影响。

化学和生物工程副教授、研究小组负责人Clifford Brangwynne表示，从研究结果来看，研究中使用的两个光束系统的发展至少与长期同样重要。研究人员开发的工具使科学家能够准确地检测细胞内相分离的过程——混沌液体物质转化为功能细胞隔间的过程，这种过程被称为无膜细胞器。

长期以来，这些细胞器被证明在人类健康中发挥着关键作用，这一点一直被忽视。例如，其流体样稠度的损失与包括癌症、阿尔茨海默氏病和肌萎缩性侧索硬化(ALS)在内的疾病有关。Brangwynne实验室以前的工作表明，无膜细胞器在细胞生长中起着重要作用。最近两篇细胞论文中的一篇证明了它们也会影响控制细胞行为的基因。

“我们最近开发的这些控制细胞内相变的技术系统应该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，”Brangwynne说，他也是霍华德休斯医学研究所的一名研究员。

在第一个项目中，研究人员开发了一个名为Corelets的工具，并使用它来创建驱动细胞相分离的蛋白质浓度的定量描述。由于蛋白质的浓度有助于调节无膜细胞器的组装，因此被称为相图的描述将有助于研究人员研究细胞某些局部区域的细胞器产生机制，而不是其他区域。这反过来可能会指出治疗错误蛋白质装配的方法。

Corelet系统使用基因工程光敏蛋白，当暴露在光线下时，它会变形并改变它们的行为。蛋白质，人类血液中的蛋白质，在这种情况下称为铁蛋白，聚集成一个微小的球体。暴露在蓝光下会导致其他蛋白质附着在铁蛋白球体上。通过改变一些参数，研究人员可以使用这种技术在细胞的不同区域触发相分离。

“通过这些光激活工具，我们获得了控制细胞相变的前所未有的洞察力，”博士后研究员、Corelets论文的第一作者丹布拉查说。

在第二篇论文中，研究人员研究了无膜细胞器的形成如何影响细胞核。研究人员使用第二个工具CasDrop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，液滴可以推出不需要的基因，但也可以将特定的目标基因聚集在一起。因此，液滴可以像小型机械机器一样重建基因组。

CasDrop系统基于一项名为CRISPR的革命性基因编辑技术，该技术使用名为Cas9的蛋白质机器来解决细胞中的特定基因。Brangwynne和他的同事将Cas9设计为一个平台。光激活后，其他蛋白质与基因结合并局部分离，在染色质上形成少量露珠。

CasDrop论文的共同主要作者是博士后研究员Yongdae Shin和化学博士生Yi-Che Chang。

诺贝尔奖得主、麻省理工学院科赫综合癌症研究所教授菲利普夏普(Phillip Sharp)表示，这项研究成果正在促进我们对无膜细胞器的理解。

“Brangwynne和他的同事发明了一种新方法，研究蛋白质之间的相互作用如何动态形成凝血块和活细胞之间的相变特征，”夏普说。“这两篇论文突出了物理学和细胞生物学界面上令人兴奋的发现，这将为癌症和阿尔茨海默病等疾病带来新的治疗方法。”

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