2020年5月15日訊/
生物谷BIOON/---細胞器是細胞中類似器官的區室，與許多細胞功能有關。有一大類細胞器在形成時是不含有膜的，而且越來越多地被稱為凝結物（condensate），這是因為人們普遍認為它們是通過液體凝結形成的，就像草上的露珠一樣。但由於這些細胞器沒有膜，科學家們仍然不了解控制哪些分子能進入凝結物而哪些分子被排除在外的規則。
液體凝結模型的一個預測是，當蛋白和其他生物分子的濃度變得足夠高從而導致它們從周圍的細胞環境中「凝結」時，這些結構就會形成。美國普林斯頓大學化學與生物工程博士後研究員Joshua A. Riback說道，「這就像在水裡加鹽一樣。鹽會進入溶液中；但如果你加入足夠多的鹽，在某一時刻它就會停止進入溶液，這時鹽晶體就會形成。但是當我們研究時，我們發現情況並非如此。」
相關研究結果近期發表在Nature期刊上，論文標題為「Composition-dependent thermodynamics of intracellular phase separation」。Riback和普林斯頓大學前研究員Lian Zhu這篇論文的論文第一作者。
Riback和Zhu與普林斯頓大學化學與生物工程教授、霍華德-休斯醫學研究所研究員Clifford Brangwynne領導的同事們合作，發現凝結物的形成也在很大程度上取決於細胞中存在的多種化合物。人們此前認為，當細胞中積累了足夠多的生物大分子，如蛋白質或RNA等，凝結物就會形成。但答案卻比這更有趣。
Riback說，「不同類型的生物大分子的比例非常重要。這就是所謂的成分依賴性（compositional dependence）。」
或者用Brangwynne的比喻來說：「這就像做飯一樣：我在這道菜裡加了太多的鹽嗎？那要看鍋裡已經有多少洋蔥了！」
成分依賴性的原因之一是蛋白和RNA在分子水平上的相互作用方式。凝結物需要一定量的相互作用，這取決於生物大分子的類型和組成。這些研究人員發現，不同類型的分子之間的相互作用，即異型相互作用（heterotypic interaction），是推動這些結構形成所必需的。一種生物大分子的某些成分過低或過高都會限制了能夠形成的異型相互作用的數量。
這些研究人證實了這種成分依賴性對細胞中關鍵分子機器組裝的重要性。其中一個例子是核糖體的產生---對細胞內所有蛋白的生產至關重要---在稱為核仁的液體凝結物中形成。Riback說，核糖體亞基的形成類似於摺紙。當形狀完成後，核糖體亞基不再有足夠的可形成連接從而使其與核仁內的周圍液體粘附在一起的可用區域。於是，它被釋放，允許它出去並在整個細胞中發揮作用。
Riback說，「當RNA摺疊成紙天鵝時，這一點不能再起作用了。因此，如果經過適當摺疊，它就被釋放出去。」
論文共同通訊作者Richard Kriwacki說，這些這些發現為
細胞生物學提供了重要的新見解。Kriwacki 說，「"這項研究強調了相分離的過程如何使像核仁這樣複雜的無膜細胞器通過將它的蛋白組成與它自身的功能輸出---核糖體，即合成蛋白的分子機器---聯繫起來，從而對變化的細胞條件做出反應。我們的數據表明，由於細胞中的核仁蛋白合成方式不同，相分離有助於控制核仁結構、動力學和功能。」
這些研究人員通過給蛋白標記螢光標記物進行實驗，並利用螢光來觀察蛋白濃度的變化如何影響凝結物的形成。Riback說，這個實驗的靈感來自於他們試圖通過觸發細胞過度表達某些類型的蛋白來增加凝結物的大小。當這改變了凝結物的組成和穩定性後，他們開始研究其中的原因。
他說，「我想了解蛋白是如何形成凝結物的。事實表明在細胞中的情況要比在試管中複雜得多。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：1.Joshua A. Riback et al. Composition-dependent thermodynamics of intracellular phase separation. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2256-2.