在兩項(xiàng)新的研究中，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)出兩種利用光探測(cè)細(xì)胞行為奧秘的新工具，報(bào)道了稱(chēng)為無(wú)膜細(xì)胞器（membraneless organelle）的細(xì)胞組分形成的條件以及這種形成對(duì)細(xì)胞DNA的影響。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年11月29日的Cell期刊上，論文標(biāo)題分別為“Mapping Local and Global Liquid Phase Behavior in Living Cells Using Photo-Oligomerizable Seeds”和“Liquid Nuclear Condensates Mechanically Sense and Restructure the Genome”。普林斯頓大學(xué)化學(xué)與生物工程副教授Clifford Brangwynne是這兩篇論文的通訊作者。

Brangwynne說(shuō)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，開(kāi)發(fā)研究中使用的這兩種光操縱系統(tǒng)至少與這兩篇論文的研究結(jié)果一樣重要。這些研究人員開(kāi)發(fā)出的工具讓科學(xué)家們能夠準(zhǔn)確地探測(cè)細(xì)胞內(nèi)的相分離---一種將細(xì)胞內(nèi)混亂的液體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄约?xì)胞區(qū)室（即無(wú)膜細(xì)胞器）的過(guò)程。

盡管長(zhǎng)期以來(lái)，這些細(xì)胞器受到人們的忽視，但是經(jīng)證實(shí)它們?cè)谌祟?lèi)健康中起著關(guān)鍵作用。比如，它們的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)索硬化癥在內(nèi)的疾病有關(guān)。 Brangwynne實(shí)驗(yàn)室之前的研究已表明無(wú)膜細(xì)胞器在細(xì)胞生長(zhǎng)中起著重要作用。在他們最新發(fā)表的這兩篇Cell論文中，就有一篇論文證實(shí)它們也影響著控制細(xì)胞行為的基因。

Brangwynne說(shuō)，“我們最近開(kāi)發(fā)的這些用于控制細(xì)胞內(nèi)相變的技術(shù)經(jīng)證實(shí)是基礎(chǔ)研究的強(qiáng)有力工具，并且具有許多應(yīng)用，特別是在人類(lèi)健康方面。”

在第一項(xiàng)研究中，Brangwynne團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種稱(chēng)為Corelets的工具，并利用它定量地描述細(xì)胞中促進(jìn)相分離的蛋白的濃度。鑒于蛋白濃度有助于調(diào)節(jié)無(wú)膜細(xì)胞器的組裝，這種稱(chēng)為相圖（phase diagram）的描述將有助于科學(xué)家們研究在細(xì)胞的某些局部區(qū)域而不在其他的局部區(qū)域產(chǎn)生這些無(wú)膜細(xì)胞器的機(jī)制。這接著可能指出處理發(fā)生差錯(cuò)的蛋白聚集物的方法。

這種Corelets工具使用了經(jīng)過(guò)基因改造的光敏蛋白，當(dāng)接受光線(xiàn)照射時(shí)，它們會(huì)發(fā)生形狀變化和改變它們自身的行為。就這項(xiàng)研究而言，這些光敏蛋白是稱(chēng)為鐵蛋白的人血液蛋白，它們聚集在一起形成一種微小的球體。接受藍(lán)光照射導(dǎo)致其他的蛋白結(jié)合到這種鐵蛋白球體上。通過(guò)改變某些參數(shù)，這些研究人員能夠利用這種技術(shù)觸發(fā)細(xì)胞不同區(qū)域中的相分離。

在第二項(xiàng)研究中，Brangwynne團(tuán)隊(duì)研究了無(wú)膜細(xì)胞器的形成如何影響細(xì)胞核。這些研究人員開(kāi)發(fā)出一種稱(chēng)為CasDrop的工具。CasDrop是一種基于CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)的光遺傳學(xué)工具，可用來(lái)確定細(xì)胞中特定基因的位置。他們將Cas9設(shè)計(jì)成一個(gè)平臺(tái)，一旦經(jīng)光激活后，其他的蛋白與特定基因結(jié)合從而在局部發(fā)生相分離，結(jié)果就是在染色質(zhì)上形成微小的液滴。

這些研究人員利用這種工具研究了染色質(zhì)，即細(xì)胞核內(nèi)DNA、RNA和蛋白的混合物。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無(wú)膜細(xì)胞器在細(xì)胞核內(nèi)形成時(shí)，它們會(huì)以意想不到的方式讓染色質(zhì)變形。他們發(fā)現(xiàn)所形成的液滴會(huì)擠出不需要的基因，但能夠同時(shí)將特定的靶基因聚集在一起。因此，這些液滴能夠像小的機(jī)械活動(dòng)機(jī)器一樣發(fā)揮著重構(gòu)基因組的作用。

總之，這些研究人員開(kāi)發(fā)出這兩種光學(xué)工具來(lái)研究蛋白之間的相互作用如何動(dòng)態(tài)地在活的細(xì)胞中形成具有相變性質(zhì)的聚集物。這兩篇論文突出了在物理學(xué)與細(xì)胞生物交叉領(lǐng)域取得的令人興奮的發(fā)現(xiàn)，它們將有助于人們?cè)谖磥?lái)開(kāi)發(fā)出治療癌癥和阿爾茨海默病等疾病的新方法。

參考資料：

Dan Bracha et al. Mapping Local and Global Liquid Phase Behavior in Living Cells Using Photo-Oligomerizable Seeds, Cell (2018). DOI: 10.1016/j.cell.2018.10.048

Yongdae Shin et al. Liquid Nuclear Condensates Mechanically Sense and Restructure the Genome, Cell (2018). DOI: 10.1016/j.cell.2018.10.057