Cell首发性成果：测量细胞凝聚物的pH值

圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的研究人员首次发现了凝聚体的核仁亚结构是如何组装的。这种组织在核仁内产生了独特的pH值，他们测量了核仁内的pH值，并将其与附近的非核仁凝聚物(包括核斑和Cajal体)的pH值进行了比较。

　　

科学家们试图了解支配生物分子凝聚体Condensates的物理和化学特性，现在他们有了一种重要的方法来测量这些神秘而又重要的细胞区室的 pH 值和其他新出现的特性。

凝聚体是蛋白质和核酸的群落。它们没有膜，可以根据需要聚在一起或分开。核仁是细胞中重要的凝聚物。它在细胞生理中起着至关重要的作用，是核糖体产生的部位。

核糖体是多种蛋白质和RNA的集合体，遗传密码在其中被翻译成合成蛋白质。核糖体产生的损害和其他核仁功能障碍是癌症、神经变性和发育障碍的核心。

华盛顿大学生物分子凝集物中心的生物医学工程Rohit Pappu实验室的研究人员首次在凝集物领域发现了核仁子结构的组装方式。他们测量了核仁内部独特的pH值曲线，并将其与附近非核仁（包括nuclear speckles和Cajal体）的pH值进行了比较。

这一发现公布在《细胞》杂志上，作者报告说，核仁的独特蛋白质组成使它们具有酸性，而nuclear speckles具有与细胞核相同的pH值，而Cajal体更具碱性。

在斯坦福大学生物工程副教授Emma Lundberg实验室和Kiersten Ruff和Pappu实验室的同事开发的新算法的帮助下，该团队确定了独特的“molecular grammars”，包括许多核仁蛋白质的一个关键定义特征：具有长酸性束的蛋白质的存在。研究小组推断，这一定有助于将氢质子带入核仁(pH值是质子活性的测量值)。

凝聚体就像一群人聚集在会议大厅里。没有墙把他们固定住，只有几个关键人物“领导”的谈话。聚集在一起的分子群落使凝聚物具有突发性的特性，比如核仁的内部pH值。

凝聚体的形成过程现在被研究小组称为condensation。这一过程结合了相分离——想想油和水的去混合，以及喜欢相互结合的分子之间的粘性相互作用。

“生物分子是由特定的相互作用和不同的溶解度组合而成的。凝结涉及到这些相互作用的全部，这就产生了所谓的涌现特性，”论文的第一作者Matthew 说。

King说，这项新研究为理解突现特性提供了一个起点，即整体大于各部分的总和，如何产生凝聚态特定的“物理化学条形码”。

凝聚体和周围核质之间的pH值差异会产生梯度，“pH值梯度会产生质子动力，”King说。

这种质子动力，测量为每质子-88兆焦，“可能能够促进RNA和蛋白质分子的定向运动，这是实现核糖体组装的关键的第一步，”King补充说。

让化学探针到达细胞中的正确位置并测量冷凝物需要技术创新，其中包括McKelvey项目合作伙伴生物医学工程助理教授Michael Vahey和电子与系统工程副教授Matthew Lew的贡献。

Pappu表示，这项工作“为许多生物化学家看到的冷凝概念的挑战提供了一个优雅的解决方案。”

细胞反应需要特异性。每一个生化反应都必须在正确的地点、正确的时间发生，并且必须涉及特定的蛋白质和核酸。

“冷凝物经常被批评为非特异性的斑点，”Pappu说。

多亏了这项新研究，这些斑点显然具有特定的物理化学性质。

Pappu指出:“我们现在有证据表明，凝聚体的不同成分偏差产生了不同的物理化学环境，这可能为生物化学特异性提供了基础。”