細胞凝聚物幫助調節細胞質的電化學環境
摘要：生物凝析物的形成對細胞活動的影響遠遠超出了它們附近的范圍。
在活細胞中，對電化學環境的調節被認為是由離子通道管理的，離子通道是位于細胞膜上的蛋白質復合物，具有明確的形狀。因此，令人驚訝的是，電化學環境也是由與離子通道完全不同的物體來管理的——這些物體不受束縛地漂浮在細胞質中，就像在一個微型熔巖燈里一樣。而且，就像熔巖燈的內容物一樣，這些物體是可變形的斑點。
這些團狀物，更確切地說是生物分子凝聚物，是液體狀的，自組裝的，無膜束縛的，相分離的隔間。人們已經知道它們會產生局部影響。例如，生物分子凝聚物可以分離或聚集某些分子，阻礙或促進所述分子的活性，通常是蛋白質和核酸。此外，生物分子凝聚物可以提供一種替代能源，可能為生物化學的某些方面提供動力。
圖1 生物分子凝聚體調節細胞電化學平衡
現在，由于杜克大學和圣路易斯華盛頓大學的研究人員的工作，我們知道生物分子凝聚物也可以產生非局部效應。具體來說，當生物分子凝聚物形成時，它們可以產生電位梯度，直接影響細胞質pH和膜電位，這些特性反過來影響細胞的整體特性和結果。在杜克大學和華盛頓大學研究小組研究的細菌細胞中，這些全球特征包括對抗生素的耐藥性。
詳細的研究結果發表在《Cell》雜志上，題為“生物分子凝聚體調節細胞電化學平衡”的文章。
“由于被動的環境影響，凝結物的形成……放大了細胞-細胞電化學特性的可變性，”該文章的作者報告說。電化學平衡的調節進一步控制了細胞與環境的相互作用，從而直接影響了細菌在抗生素脅迫下的生存。凝結物介導的細胞內電化學平衡的轉變驅動了全球基因表達譜的變化。”
“我們的研究表明，冷凝物對細胞的影響遠遠超出了直接的物理接觸，幾乎就像它們與細胞與環境的相互作用有一種無線連接，”杜克大學的Lingchong You說，他是該研究的兩位資深作者之一。“除了展示這種連接背后的電機制外，我們還證明了凝聚物的形成可以使細胞對某些類型的抗生素更耐受，而對其他類型的抗生素更敏感。”
“這可能只是冰山一角，”該研究的另一位資深作者、杜克大學的Ashutosh Chilkoti補充道。“我們預計這些電位效應會通過細胞行為以各種各樣的方式表達出來。”
冷凝物的作用有點像海綿，在形成時吸收各種蛋白質、酶、離子和其他生物分子，同時排除其他生物分子。如果它們在胞室中捕獲了足夠多的離子，使其帶正電荷或負電荷，這種不平衡必然會反映在它們周圍的細胞環境中。
圖2 凝聚物調節細胞質的電化學平衡
這種靜電活動為生物凝聚物的形成提供了一個手柄，從而影響細胞膜的電勢和細胞內的電化學環境。由于這些環境因素對許多生物過程至關重要，它為這些不起眼的斑點提供了一種機制，可以直接影響細胞與周圍環境的相互作用。
該研究的主要作者、華盛頓大學生物醫學工程助理教授Yifan Dai解釋說:“即使是少量的這些凝聚物集中分布在遠離細胞膜的地方，也會產生連鎖反應，從而改變這種整體特性。這篇論文表明，這些影響是無法逃避的。只要這些微小的斑點形成，許多事情都會受到影響，甚至是全球范圍內的基因調控。當我看到這一點時，我感到非常震驚。”
為了證明這一點，研究人員努力證明這種現象會影響細菌與某些抗生素相互作用的生存能力。研究人員通過以正確的方式對大腸桿菌菌落施加壓力或操縱凝聚形成蛋白質的基因表達，使它們形成內部凝聚體。然后，他們測試了細胞膜上產生的電荷，并將它們暴露在抗生素中。
結果表明，凝聚物的形成導致一些細胞膜帶更多的負電荷，這直接影響到細胞是否與抗生素反應，因為它們也是帶電粒子。但研究人員表示，這只是這條研究路線的開始，因為許多生化過程都依賴于細胞膜內的電位。
“我們的工作揭示了凝聚物在調節整體細胞生理中的作用，雖然我們還沒有對細胞如何利用這種活動來調節它們的功能有一個具體的機制理解，但它確實發生了，這是一個重大發現。”
參考資料
[1] Cross-disorder and disease-specific pathways in dementia revealed by single-cell genomics.
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