Cell | 生物分子凝聚體調節細胞的電化學平衡

引言

生物分子凝聚體是細胞内普遍存在的微觀結構，能夠調節細胞的轉錄、應激反應和RNA剪接【1】。這些凝聚體的形成由多價生物大分子的相變驅動，并在空間上隔離離子，形成pH和電位梯度，例如核仁與核質之間的pH差異【2】。離子的空間分布決定了細胞的電化學勢，進而影響生化反應和信号傳導【3】。

近日，來自美國杜克大學生物醫學工程系的Lingchong You與Ashutosh Chilkoti共同在Cell期刊發表題為Biomolecular condensates regulate cellular electrochemical equilibria（生物分子凝聚體調節細胞的電化學平衡）的文章。研究表明，生物分子凝聚體的形成不僅調節了細菌細胞的電化學環境，還放大了細胞間電化學性質的變異。這種調節不僅影響了細胞與環境的互相作用，還直接影響了細菌在抗生素壓力下的生存，并驅動了基因表達譜的整體變化。

最新研究發現，某些無序蛋白的凝聚體，如樹脂樣多肽（resilin-like polypeptides，RLPs）能夠在稀相和密相之間産生電位梯度，并驅動氧化還原反應【4】。這種現象可能會影響整個溶液的電化學平衡。然而，這是否會改變細胞質中的電化學環境以及細胞功能，目前尚不明确。

凝聚體形成調節細胞質離子分布首先，研究人員考察了凝聚體形成對細胞質離子環境的影響。他們發現，RLP凝聚體的形成使細胞質的pH值變得更酸性，而凝聚體内部則呈現堿性。此外，RLP凝聚體降低了細胞質中Mg²⁺和Ca²⁺的濃度，而凝聚體中的Mg²⁺濃度則是細胞質中的5倍。Na⁺被排除在凝聚體之外，導緻細胞質中Na⁺濃度增加了19%。K⁺的分布沒有顯著變化。與RLP凝聚體相比，彈性蛋白樣多肽（ELP）凝聚體對離子的調節效果較弱。進一步的結果确認，凝聚體的形成導緻了離子的選擇性配置設定或排斥，揭示了凝聚體對細胞内電化學平衡的調節作用。在相分離過程中，熱力學限制決定了相分離提供了一種減少相分離組分在細胞質中濃度波動的機制。研究發現，凝聚體的形成減少了細胞質中蛋白濃度的變異性。然而，凝聚體體積分數的增加導緻了細胞質pH值的酸性增強，同時也增加了細胞質pH值的變異性，這種效應并非由蛋白濃度波動引起。這些結果确認了凝聚體形成帶來的環境效應，表明相分離放大了細胞内化學環境的細胞間變異性。

凝聚體形成調節膜電位細胞膜電位的調節與離子通道密切相關，因為膜電位對細胞内電化學環境非常敏感，是以凝聚體的形成可能會影響膜電位。研究人員通過測量含有或不含RLP凝聚體細胞的膜電位變化，發現含凝聚體的細胞膜電位顯著超極化，其熒光信号比不含凝聚體的細胞高出7.5倍至10倍。此外，凝聚體還導緻膜電位的變異性增大，這表明凝聚體通過調節細胞内電化學平衡影響膜電位，這一作用可以通過逆轉凝聚體形成來進一步确認。研究人員還探讨了離子（如Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺）對膜電位的影響。結果表明，Mg²⁺和Ca²⁺的添加減少了膜電位熒光，使其接近未形成凝聚體的細胞水準，這表明這些離子可能參與了膜電位的超極化。雖然ELP凝聚體對離子的調節能力較弱，但膜電位變化依然顯著，研究人員推測ELP凝聚體對膜電位的調節可能與其相變和細胞質水含量變化有關。進一步地，研究人員考察了是否可以通過蛋白質序列程式設計調節膜電位。實驗發現，将RLP序列與超折疊綠色熒光蛋白（sfGFP）融合後，膜電位的幹擾顯著減弱，ANEPPS信号減少了3.5倍。這表明凝聚體介導的電化學平衡可能在凝聚體形成蛋白質的序列水準上是可程式設計的。

凝聚體介導的電化學效應影響細胞生理行為

膜電位的變化會通過調節小分子的流動影響細胞的生理狀态。研究發現，含有RLP凝聚體的細胞在無抗生素條件下生長恢複較慢，這表明凝聚體的形成增加了細胞負擔，降低了蛋白質合成速率。在抗生素存在的情況下，含凝聚體的細胞對帶負電荷的抗生素（如氨苄青黴素）表現出更強的耐受性，這可能是因為膜電位的超極化減少了細胞對抗生素的攝取。然而，膜電位的超極化實際上會增加帶正電荷的抗生素（如慶大黴素）的攝取，進而使細胞對這類抗生素更為敏感。由于生物分子凝聚體能夠調節細胞的電化學平衡，研究人員假設這種調節可能會影響整體的細胞過程。通過RNA測序發現，凝聚體影響了1557個基因的表達，涉及離子轉運、滲透應激等多個關鍵途徑。這表明，凝聚體不僅影響特定分子，還能引發細胞基因表達的整體變化。

綜上所述，該研究揭示了凝聚體通過選擇性配置設定或排除離子來調節細胞質的pH值和離子分布，進而影響細胞膜電位和基因表達。這種調節作用具有深遠影響，且凝聚體的體積分數和基因表達的随機性會導緻細胞行為的高度變異。

模式圖（Credit: Cell）

參考文獻

1. Alberti, S., and Hyman, A.A. (2021). Biomolecular condensates at the nexus of cellular stress, protein aggregation disease and ageing. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 22, 196-213. https://doi.org/10.1038/s41580-020-00326-6.2. King, M.R., Ruff, K.M., Lin, A.Z., Pant, A., Farag, M., Lalmansingh, J.M., Wu, T., Fossat, M.J., Ouyang, W., Lew, M.D., et al. (2024). Macromolecular condensation organizes nucleolar sub-phases to set up a pH gradient. Cell 187, 1889-1906.e24. https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.02.029.3. Harold, F.M. (1977). Ion currents and physiological functions in microorganisms. Annu. Rev. Microbiol. 31, 181-203. https://doi.org/10.1146/annurev.mi.31.100177.001145.4. Dai, Y., Chamberlayne, C.F., Messina, M.S., Chang, C.J., Zare, R.N., You, L., and Chilkoti, A. (2023). Interface of biomolecular condensates modulates redox reactions. Chem 9, 1594-1609. https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.04.001.https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.018

責編|探索君

排版|探索君

文章來源|“BioArt”

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