2020年3月21日訊/
生物谷BIOON/---細胞核是一個複雜的奇蹟，它是細胞的指揮中心，包含著信息、代碼和受控訪問。但是與人造指揮中心不同的是，在科學家們看來，細胞核的內部是混亂的。染色體是
遺傳信息的
載體，漂浮在水、蛋白、核酸和其他分子的海洋中，這些分子全都參與無數同時發生的反應。這些反應的主要目標是在正確的時間和地點開啟和關閉基因。這個過程稱為基因調節，可讓腦細胞的外觀和行為不同於肌肉細胞或肝細胞。
生物學上的一個關鍵問題是它是如何工作的，換句話說，特定的蛋白如何聚集在特定的基因上以開啟和關閉它。試圖煞費苦心地分析此類「基因開關」的科學家們希望獲得一種易於理解的簡單設備---帶有按鈕的機械開關。但是，自然界找到了一種不同的解決方案，令人驚訝的是，這種解決方案是液體。
DNA被摺疊成染色質，染色質主要由包裹在組蛋白周圍的DNA組成。酶可以修飾組蛋白，因而影響染色質結構，這接著影響基因是否活躍。在一項新的研究中，奧地利維也納醫科大學的Alwin Köhler及其團隊報導作為一種利用泛素修飾組蛋白的酶，Bre1以一種特殊的物質狀態存在。Bre1結合另一種稱為Lge1的蛋白。在在顯微鏡下觀察時，Lge1表現出不同尋常的行為：Lge1形成液滴，這些液滴碰撞並聚結在一起。相關研究結構近期發表在Nature期刊上，論文標題為「Phase separation directs ubiquitination of gene-body nucleosomes」。
圖片來自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2097-z。
論文共同第一作者Laura Gallego說，「固態結構無法做到這一點；只有液體可以做到。」
這些研究人員意識到，Lge1液滴不是剛性結構，而是像一瓶強力搖晃的香醋瓶中的油滴一樣，首先分散，然後迅速融合併混合成較大的液體團。這一過程稱為液-液相分離（liquid–liquid phase separation），是化學、工程和物理中的一個公認的概念。當一種力把兩種液體推開時，就會發生這種情況，比如油浮在水面上。
當Alwin Köhler和他的團隊添加Bre1時，發生了其他驚人的事情：Bre1並未擴散到Lge1液滴中，而是在Lge1周圍形成了酶促外殼，從而將Lge1液滴組織成分層液體（layered liquid）並控制其生長。有趣的是，Lge1-Bre1液滴還會吸引染色質和另一種作為Bre1的輔因子起作用的酶。這就提出了一個重要的問題，即液滴的形成是否會加速整個酶促反應---確實如此。
論文共同第一作者Maren Schneider說，「在黑暗的房間裡，觀察蛋白免疫印跡（Western Blot）上的那個條帶更快地出現，這是一個激動人心的時刻。」這些研究人員意識到，液-液相分離提供了一種方法，使得在細胞核的擁擠混亂環境中聚集基因開關的反應物，從而加速染色質上的反應。從試管測試轉入細胞研究後，這些研究人員發現Lge1和Bre1專門聚集在高度表達的基因上。此外，通過迄今為止未知的機制，Lge1-Bre1液滴更偏好聚集在基因的中間部分，即所謂的基因體（gene body），而不聚集在基因的上遊或下遊區域。通過基因操縱破壞Lge1-Bre1像分層液體一樣發揮作用的能力會導致細胞生長缺陷，這突顯了這種物質狀態在基因調控中的重要性。
這項研究的負責人AlwinKöhler說：「將芽殖
酵母作為模式生物讓我們能夠前所未有地操縱和理解允許分層液體在細胞核中起作用的化學過程。我們還意識到了它與人類疾病之間存在的潛在聯繫。」Lge1在人類中具有功能對應物，即WAC。這種蛋白的行為也像液體，當發生突變時會引起一種稱為DeSanto-Shinawi症候群的神經發育障礙。因此，是否處於液體狀態可能直接影響人類病理。那麼人造結構和大自然的獨創性結構到底有何不同？引用建築師Frank Gehry的一句話：「液態結構。就像爵士樂一樣，你們即興創作，你們一起演奏，你們互相競爭，你們創造一些東西，他們創造一些東西。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：1.Laura D. Gallego et al. Phase separation directs ubiquitination of gene-body nucleosomes. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2097-z.