普林斯頓大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一種新的工具，利用光來探索細(xì)胞行為的奧秘，并發(fā)現(xiàn)了稱為無膜細(xì)胞器的細(xì)胞成分的形成，以及這些細(xì)胞器在細(xì)胞中發(fā)揮的關(guān)鍵作用。
在11月29日發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的兩篇論文中，普林斯頓各個部門的研究人員報道了導(dǎo)致無膜細(xì)胞器形成的條件以及這種形成對細(xì)胞DNA的影響。
化學(xué)工程副教授、研究團隊負(fù)責(zé)人Clifford Brangwynne表示，從研究結(jié)果來看，研究中使用的兩個光束系統(tǒng)的發(fā)展至少和長期一樣重要。研究人員開發(fā)的工具使科學(xué)家能夠準(zhǔn)確檢測細(xì)胞內(nèi)相分離的過程——混亂的液體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為功能性細(xì)胞隔間，稱為無膜細(xì)胞器。
長期被忽視的是，事實證明這些細(xì)胞器在人類健康中起著關(guān)鍵作用。例如，液體樣稠度的喪失與包括癌癥、阿爾茨海默病和肌萎縮側(cè)索硬化(ALS)在內(nèi)的疾病有關(guān)。布蘭文實驗室先前的工作表明，無膜細(xì)胞器在細(xì)胞生長中起著重要作用。最近的兩篇細(xì)胞論文之一證明，它們也影響控制細(xì)胞行為的基因。
“我們最近開發(fā)的這些控制細(xì)胞內(nèi)相變的技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)該被證明是基礎(chǔ)研究的有力工具，并有許多應(yīng)用，尤其是在人類健康方面，”Brangwynne說，他也是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究員。
在第一個項目中，研究人員開發(fā)了一個名為Corelets的工具，并使用它來創(chuàng)建驅(qū)動細(xì)胞相分離的蛋白質(zhì)濃度的定量描述。因為蛋白質(zhì)的濃度有助于調(diào)節(jié)無膜細(xì)胞器的組裝，所以稱為相圖的描述將有助于研究人員研究細(xì)胞器在細(xì)胞某些局部區(qū)域的機制，而不是在其他區(qū)域。反過來，這可能會指出修復(fù)有缺陷的蛋白質(zhì)組裝的方法。
Corelet系統(tǒng)使用基因工程光敏蛋白。當(dāng)暴露在光線下時，它們會變形并改變它們的行為。蛋白質(zhì)，在這種情況下是人類血液中稱為鐵蛋白的蛋白質(zhì)，聚集成一個微小的球體。暴露在藍(lán)光下會導(dǎo)致其他蛋白質(zhì)附著在鐵蛋白球上。通過改變一些參數(shù)，研究人員可以使用這種技術(shù)來觸發(fā)細(xì)胞不同區(qū)域的相分離。
“通過這些光激活工具，我們獲得了前所未有的洞察力來控制細(xì)胞中的相變，”博士后研究員、Corelets論文的第一作者丹布拉查說。
在第二篇論文中，研究人員研究了無膜細(xì)胞器的形成如何影響細(xì)胞核。研究人員使用了第二種稱為CasDrop的工具來研究染色質(zhì)，染色質(zhì)是細(xì)胞核中脫氧核糖核酸、核糖核酸和蛋白質(zhì)的混合物。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)胞核中形成無膜細(xì)胞器時，它們會以意想不到的方式使染色質(zhì)變形。他們發(fā)現(xiàn)液滴可以推出不需要的基因，但它們可以同時收集特定的目標(biāo)基因。因此，液滴可以像小型機械活動機器一樣重建基因組。
CasDrop系統(tǒng)是基于革命性的基因編輯技術(shù)CRISPR，它使用名為Cas9的蛋白質(zhì)機器來解決細(xì)胞中的特定基因。Brangwynne和他的同事將Cas9設(shè)計成一個平臺。光激活后，其他蛋白質(zhì)與基因結(jié)合并局部分離，在染色質(zhì)上形成少量露水。
CasDrop論文的合著者是博士后研究員申永達(dá)和化學(xué)博士生張一車。
諾貝爾獎獲得者、麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所教授菲利普夏普說，這項研究的結(jié)果正在促進我們對無膜細(xì)胞器的理解。
夏普說：“Brangwynne和他的同事發(fā)明了一種新方法，研究蛋白質(zhì)之間的相互作用如何在活細(xì)胞中動態(tài)形成凝塊和相變特征。“這兩篇論文突出了物理學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)之間的界面上令人興奮的發(fā)現(xiàn)，這將為癌癥和阿爾茨海默病等疾病帶來新的治療方法。”
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