Cell：闡明活細胞中蛋白質凝縮的新工具

生物通報道：一種利用光來控制活細胞內物質的工具，已經開始為我們解釋「蛋白質如何組裝成不同的液體和凝膠狀固態」，這對於理解許多關鍵的細胞運轉，是至關重要的。延伸閱讀：Science：新結構揭示細胞的蛋白質生產機器是如何組裝的。

由於極大的複雜性，宿主細胞會同時發生成千上萬的化學反應。一些反應發生在專門的隔間里，稱為細胞器。然而，某些細胞器沒有任何細胞膜，將它們與細胞內漂浮的其他物質隔開。這些無膜細胞器以某種方式作為細胞質、蛋白質、核酸等大分子當中的獨立結構。

目前，普林斯頓大學的科學家們開發出一種新的工具——被稱為optoDroplet，給我們提供了前所未有的機會來操縱和理解允許無膜細胞器發揮功能的化學機制。相關研究結果發表在12月29日的《Cell》雜誌。

本文資深作者、普林斯頓大學細胞化學和生物工程助理教授CliffordBrangwynne說：「這種optoDroplet工具開始讓我們仔細分析控制無膜細胞器組裝的物理和化學規則。我們對這個過程的根本機制了解甚少，如果我們了解了它，就有可能為與蛋白質聚集相關的嚴重疾病（如ALS）開發出干預和治療措施。」

以往的研究已經證明，無膜細胞器在細胞內聚集的過程稱為相變：常見的相變的例子包括，水蒸氣冷凝成露滴或液態水凍成堅冰。Brangwynne及其同事們在過去幾年的研究表明，改變某些蛋白質的濃度，或修改其結構，似乎能觸發一種相位改變，使蛋白質凝結成液滴狀的細胞器。

到目前為止，雖然大多數研究都使用試管中的純化蛋白質，但是研究人員很少有方法來研究活細胞中的相變。optoDroplets將幫助科學家們了解「相變出錯時，產生的固體狀凝膠和蛋白質結晶聚集體會引發某些疾病（包括阿爾茨海默氏症和ALS）」的更多信息。

optoDroplet依靠光遺傳學技術，涉及的蛋白質其行為可以通過光照改變。（細胞大多是水，基本上是透明的。）研究人員發現，他們可以通過打開光激活的蛋白質，誘導相變和製備無膜細胞器。他們也可以通過簡單地把光關掉而取消相變。增加光強度和蛋白質濃度，可允許研究人員進一步控制相變。通過改變這些輸入，他們可以確定何時凝聚液蛋白液滴形成以及固體狀蛋白質聚集，可能與疾病相關。

Brangwynne說：「optoDroplet為我們提供了一個控制水平，可以用精確定位活細胞中的相圖。有了相圖，我們就開始了解細胞如何利用它們的自然機器，穿過這個細胞內相圖來組裝不同類型的細胞器。」

該論文的第一作者是Brangwynne軟生物物質研究組的博士後Yongdae Shin。這項工作是由美國國立衛生研究院和國家科學基金會部分資助。

利用小鼠和人類細胞，該研究小組剪接了來自一種植物（鼠耳芥）的感光蛋白編碼基因，這種植物是甘藍和芥菜的近緣種，是遺傳學研究的主要模式植物。藍光照射可導致蛋蛋白質自我結合，蜷縮起來。

感游標簽與蛋白成分融合，被認為可驅動活細胞中的相變。研究人員利用光，發現他們可以誘導蛋白蜷縮，從而模仿細胞中自然產生的冷凝過程。Brangwynne說：「利用水蒸氣的比喻，你可以認為我們做的事情是，使用激光局部改變了一些地區的空氣溫度，水滴會凝結出來。」

該小組反覆促使蛋白質凝結，然後通過打開和關閉光而溶解。這個過程被證明是完全可逆的，即使經過多次循環。然而，用高強度的光或高濃度的蛋白質，研究人員製備了半固體凝膠。這些凝膠最初是可逆的，但隨著時間的推移，它們凝固形成了不可逆轉的塊狀凝聚體，類似於一些疾病中發現的。

Brangwynne說：「我們表明，通過optoDroplet，我們可以很容易地組裝和拆卸相分離的液體，它們似乎並沒有對細胞造成任何影響。但是，凝膠狀的組件似乎更具問題，因為經過許多周期，它們發展成了持久的聚集體，細胞不能再進行處理，可能開始損壞健康的生物過程。」

一個例子就是所謂的FUS。FUS蛋白對於細胞的操作至關重要；它有助於產生其他蛋白質，並修復DNA損傷。但大量的遺傳突變可能會使FUS蛋白變得過於粘稠，從而引發ALS，也被稱為Lou Gehrig氏病。這種神經系統疾病患者失去了主動控制肌肉的能力，ALS的特點是在神經細胞中積累了蛋白質團塊。這些蛋白質團塊可能來源於FUS或其他蛋白病理聚集，而不是保持動態的液滴。亨廷頓氏病和老年性痴呆還涉及堵塞細胞的蛋白質團塊，再次表明細胞中的異常相變與這些疾病密切相關。

歐洲分子生物學實驗室的研究人員Edward Lemke，沒有參與細胞的研究，但是他指出了optoDroplet的前景。Lemke說：「optoDroplet靶定的蛋白質，是相分離蛋白質的一個重要組成部分，其中有許多與臭名昭著的疾病有關。optoDroplet系統可讓我們以一種微創和高度可控的方式，調節細胞內這些蛋白的狀態，所以它可以提供關於這些蛋白如何運作的新見解。」

Brangwynne和同事們期待著繼續用optoDroplet開展實驗，以更好地了解細胞的複雜行為。Brangwynne說：「這是我們正在做的基礎科學，回答了關於細胞內相變的基本問題。但我們希望這些見解不僅能揭示健康細胞是如何運轉的，還可以揭示它們是如何病變的，最終可能如何治癒。」

（生物通：王英）

生物通推薦原文摘要：

Spatiotemporal Control of IntracellularPhaseTransitionsUsing Light-Activated optoDroplets

Summary：Phase transitions driven by intrinsically disordered protein regions (IDRs) have emerged as a ubiquitous mechanism for assembling liquid-like RNA/protein (RNP) bodies and other membrane-less organelles. However, a lack of tools to control intracellular phase transitions limits our ability to understand their role in cell physiology and disease. Here, we introduce an optogenetic platform that uses light to activate IDR-mediated phase transitions in living cells. We use this 「optoDroplet」 system to study condensed phases driven by the IDRs of various RNP body proteins, including FUS, DDX4, and HNRNPA1. Above a concentration threshold, these constructs undergo light-activated phase separation, forming spatiotemporally definable liquid optoDroplets. FUSoptoDropletassembly is fully reversible even after multiple activation cycles. However, cells driven deep within the phase boundary form solid-like gels that undergo aging into irreversible aggregates. This system can thus elucidate not only physiologicalphasetransitionsbutalso their link to pathological aggregates.