Cell：阐明活细胞中蛋白质凝缩的新工具

　　

生物通报道：一种利用光来控制活细胞内物质的工具，已经开始为我们解释“蛋白质如何组装成不同的液体和凝胶状固态”，这对于理解许多关键的细胞运转，是至关重要的。延伸阅读：Science：新结构揭示细胞的蛋白质生产机器是如何组装的。

由于极大的复杂性，宿主细胞会同时发生成千上万的化学反应。一些反应发生在专门的隔间里，称为细胞器。然而，某些细胞器没有任何细胞膜，将它们与细胞内漂浮的其他物质隔开。这些无膜细胞器以某种方式作为细胞质、蛋白质、核酸等大分子当中的独立结构。

目前，普林斯顿大学的科学家们开发出一种新的工具——被称为optoDroplet，给我们提供了前所未有的机会来操纵和理解允许无膜细胞器发挥功能的化学机制。相关研究结果发表在12月29日的《Cell》杂志。

本文资深作者、普林斯顿大学细胞化学和生物工程助理教授Clifford Brangwynne说：“这种optoDroplet工具开始让我们仔细分析控制无膜细胞器组装的物理和化学规则。我们对这个过程的根本机制了解甚少，如果我们了解了它，就有可能为与蛋白质聚集相关的严重疾病（如ALS）开发出干预和治疗措施。”

以往的研究已经证明，无膜细胞器在细胞内聚集的过程称为相变：常见的相变的例子包括，水蒸气冷凝成露滴或液态水冻成坚冰。Brangwynne及其同事们在过去几年的研究表明，改变某些蛋白质的浓度，或修改其结构，似乎能触发一种相位改变，使蛋白质凝结成液滴状的细胞器。

到目前为止，虽然大多数研究都使用试管中的纯化蛋白质，但是研究人员很少有方法来研究活细胞中的相变。optoDroplets将帮助科学家们了解“相变出错时，产生的固体状凝胶和蛋白质结晶聚集体会引发某些疾病（包括阿尔茨海默氏症和ALS）”的更多信息。

optoDroplet依靠光遗传学技术，涉及的蛋白质其行为可以通过光照改变。（细胞大多是水，基本上是透明的。）研究人员发现，他们可以通过打开光激活的蛋白质，诱导相变和制备无膜细胞器。他们也可以通过简单地把光关掉而取消相变。增加光强度和蛋白质浓度，可允许研究人员进一步控制相变。通过改变这些输入，他们可以确定何时凝聚液蛋白液滴形成以及固体状蛋白质聚集，可能与疾病相关。

Brangwynne说：“optoDroplet为我们提供了一个控制水平，可以用精确定位活细胞中的相图。有了相图，我们就开始了解细胞如何利用它们的自然机器，穿过这个细胞内相图来组装不同类型的细胞器。”

该论文的第一作者是Brangwynne软生物物质研究组的博士后Yongdae Shin。这项工作是由美国国立卫生研究院和国家科学基金会部分资助。

利用小鼠和人类细胞，该研究小组剪接了来自一种植物（鼠耳芥）的感光蛋白编码基因，这种植物是甘蓝和芥菜的近缘种，是遗传学研究的主要模式植物。蓝光照射可导致蛋蛋白质自我结合，蜷缩起来。

感光标签与蛋白成分融合，被认为可驱动活细胞中的相变。研究人员利用光，发现他们可以诱导蛋白蜷缩，从而模仿细胞中自然产生的冷凝过程。Brangwynne说：“利用水蒸气的比喻，你可以认为我们做的事情是，使用激光局部改变了一些地区的空气温度，水滴会凝结出来。”

该小组反复促使蛋白质凝结，然后通过打开和关闭光而溶解。这个过程被证明是完全可逆的，即使经过多次循环。然而，用高强度的光或高浓度的蛋白质，研究人员制备了半固体凝胶。这些凝胶最初是可逆的，但随着时间的推移，它们凝固形成了不可逆转的块状凝聚体，类似于一些疾病中发现的。

Brangwynne说：“我们表明，通过optoDroplet，我们可以很容易地组装和拆卸相分离的液体，它们似乎并没有对细胞造成任何影响。但是，凝胶状的组件似乎更具问题，因为经过许多周期，它们发展成了持久的聚集体，细胞不能再进行处理，可能开始损坏健康的生物过程。”

一个例子就是所谓的FUS。FUS蛋白对于细胞的操作至关重要；它有助于产生其他蛋白质，并修复DNA损伤。但大量的遗传突变可能会使FUS蛋白变得过于粘稠，从而引发ALS，也被称为Lou Gehrig氏病。这种神经系统疾病患者失去了主动控制肌肉的能力，ALS的特点是在神经细胞中积累了蛋白质团块。这些蛋白质团块可能来源于FUS或其他蛋白病理聚集，而不是保持动态的液滴。亨廷顿氏病和老年性痴呆还涉及堵塞细胞的蛋白质团块，再次表明细胞中的异常相变与这些疾病密切相关。

欧洲分子生物学实验室的研究人员Edward Lemke，没有参与细胞的研究，但是他指出了optoDroplet的前景。Lemke说：“optoDroplet靶定的蛋白质，是相分离蛋白质的一个重要组成部分，其中有许多与臭名昭著的疾病有关。optoDroplet系统可让我们以一种微创和高度可控的方式，调节细胞内这些蛋白的状态，所以它可以提供关于这些蛋白如何运作的新见解。”

Brangwynne和同事们期待着继续用optoDroplet开展实验，以更好地了解细胞的复杂行为。Brangwynne说：“这是我们正在做的基础科学，回答了关于细胞内相变的基本问题。但我们希望这些见解不仅能揭示健康细胞是如何运转的，还可以揭示它们是如何病变的，最终可能如何治愈。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Spatiotemporal Control of Intracellular Phase Transitions Using Light-Activated optoDroplets
Summary：Phase transitions driven by intrinsically disordered protein regions (IDRs) have emerged as a ubiquitous mechanism for assembling liquid-like RNA/protein (RNP) bodies and other membrane-less organelles. However, a lack of tools to control intracellular phase transitions limits our ability to understand their role in cell physiology and disease. Here, we introduce an optogenetic platform that uses light to activate IDR-mediated phase transitions in living cells. We use this “optoDroplet” system to study condensed phases driven by the IDRs of various RNP body proteins, including FUS, DDX4, and HNRNPA1. Above a concentration threshold, these constructs undergo light-activated phase separation, forming spatiotemporally definable liquid optoDroplets. FUS optoDroplet assembly is fully reversible even after multiple activation cycles. However, cells driven deep within the phase boundary form solid-like gels that undergo aging into irreversible aggregates. This system can thus elucidate not only physiological phase transitions but also their link to pathological aggregates.