两篇Cell揭示无膜细胞器形成机制及其对细胞DNA的影响

在两项新的研究中，美国普林斯顿大学的研究人员通过开发出两种利用光探测细胞行为奥秘的新工具，报道了称为无膜细胞器（membraneless organelle）的细胞组分形成的条件以及这种形成对细胞DNA的影响。相关研究结果发表在2018年11月29日的Cell期刊上，论文标题分别为“Mapping Local and Global Liquid Phase Behavior in Living Cells Using Photo-Oligomerizable Seeds”和“Liquid Nuclear Condensates Mechanically Sense and Restructure the Genome”。普林斯顿大学化学与生物工程副教授Clifford Brangwynne是这两篇论文的通讯作者。

Brangwynne说，从长远来看，开发研究中使用的这两种光操纵系统至少与这两篇论文的研究结果一样重要。这些研究人员开发出的工具让科学家们能够准确地探测细胞内的相分离---一种将细胞内混乱的液体物质转变为功能性细胞区室（即无膜细胞器）的过程。

尽管长期以来，这些细胞器受到人们的忽视，但是经证实它们在人类健康中起着关键作用。比如，它们的液体样稠度的丧失与包括癌症、阿尔茨海默病和肌萎缩侧索硬化症在内的疾病有关。 Brangwynne实验室之前的研究已表明无膜细胞器在细胞生长中起着重要作用。在他们*新发表的这两篇Cell论文中，就有一篇论文证实它们也影响着控制细胞行为的基因。

Brangwynne说，“我们*近开发的这些用于控制细胞内相变的技术经证实是基础研究的强有力工具，并且具有许多应用，特别是在人类健康方面。”

在**项研究中，Brangwynne团队开发出一种称为Corelets的工具，并利用它定量地描述细胞中促进相分离的蛋白的浓度。鉴于蛋白浓度有助于调节无膜细胞器的组装，这种称为相图（phase diagram）的描述将有助于科学家们研究在细胞的某些局部区域而不在其他的局部区域产生这些无膜细胞器的机制。这接着可能指出处理发生差错的蛋白聚集物的方法。

这种Corelets工具使用了经过基因改造的光敏蛋白，当接受光线照射时，它们会发生形状变化和改变它们自身的行为。就这项研究而言，这些光敏蛋白是称为铁蛋白的人血液蛋白，它们聚集在一起形成一种微小的球体。接受蓝光照射导致其他的蛋白结合到这种铁蛋白球体上。通过改变某些参数，这些研究人员能够利用这种技术触发细胞不同区域中的相分离。

在第二项研究中，Brangwynne团队研究了无膜细胞器的形成如何影响细胞核。这些研究人员开发出一种称为CasDrop的工具。CasDrop是一种基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的光遗传学工具，可用来确定细胞中特定基因的位置。他们将Cas9设计成一个平台，一旦经光激活后，其他的蛋白与特定基因结合从而在局部发生相分离，结果就是在染色质上形成微小的液滴。

这些研究人员利用这种工具研究了染色质，即细胞核内DNA、RNA和蛋白的混合物。他们发现，当无膜细胞器在细胞核内形成时，它们会以意想不到的方式让染色质变形。他们发现所形成的液滴会挤出不需要的基因，但能够同时将特定的靶基因聚集在一起。因此，这些液滴能够像小的机械活动机器一样发挥着重构基因组的作用。

总之，这些研究人员开发出这两种光学工具来研究蛋白之间的相互作用如何动态地在活的细胞中形成具有相变性质的聚集物。这两篇论文突出了在物理学与细胞生物交叉领域取得的令人兴奋的发现，它们将有助于人们在未来开发出治疗癌症和阿尔茨海默病等疾病的新方法。