Cell | 生物分子凝聚体调节细胞的电化学平衡

引言

生物分子凝聚体是细胞内普遍存在的微观结构，能够调节细胞的转录、应激反应和RNA剪接【1】。这些凝聚体的形成由多价生物大分子的相变驱动，并在空间上隔离离子，形成pH和电位梯度，例如核仁与核质之间的pH差异【2】。离子的空间分布决定了细胞的电化学势，从而影响生化反应和信号传导【3】。

近日，来自美国杜克大学生物医学工程系的Lingchong You与Ashutosh Chilkoti共同在Cell期刊发表题为Biomolecular condensates regulate cellular electrochemical equilibria（生物分子凝聚体调节细胞的电化学平衡）的文章。研究表明，生物分子凝聚体的形成不仅调节了细菌细胞的电化学环境，还放大了细胞间电化学性质的变异。这种调节不仅影响了细胞与环境的相互作用，还直接影响了细菌在抗生素压力下的生存，并驱动了基因表达谱的整体变化。

最新研究发现，某些无序蛋白的凝聚体，如树脂样多肽（resilin-like polypeptides，RLPs）能够在稀相和密相之间产生电位梯度，并驱动氧化还原反应【4】。这种现象可能会影响整个溶液的电化学平衡。然而，这是否会改变细胞质中的电化学环境以及细胞功能，目前尚不明确。

凝聚体形成调节细胞质离子分布首先，研究人员考察了凝聚体形成对细胞质离子环境的影响。他们发现，RLP凝聚体的形成使细胞质的pH值变得更酸性，而凝聚体内部则呈现碱性。此外，RLP凝聚体降低了细胞质中Mg²⁺和Ca²⁺的浓度，而凝聚体中的Mg²⁺浓度则是细胞质中的5倍。Na⁺被排除在凝聚体之外，导致细胞质中Na⁺浓度增加了19%。K⁺的分布没有显著变化。与RLP凝聚体相比，弹性蛋白样多肽（ELP）凝聚体对离子的调节效果较弱。进一步的结果确认，凝聚体的形成导致了离子的选择性分配或排斥，揭示了凝聚体对细胞内电化学平衡的调节作用。在相分离过程中，热力学约束决定了相分离提供了一种减少相分离组分在细胞质中浓度波动的机制。研究发现，凝聚体的形成减少了细胞质中蛋白浓度的变异性。然而，凝聚体体积分数的增加导致了细胞质pH值的酸性增强，同时也增加了细胞质pH值的变异性，这种效应并非由蛋白浓度波动引起。这些结果确认了凝聚体形成带来的环境效应，表明相分离放大了细胞内化学环境的细胞间变异性。

凝聚体形成调节膜电位细胞膜电位的调节与离子通道密切相关，因为膜电位对细胞内电化学环境非常敏感，因此凝聚体的形成可能会影响膜电位。研究人员通过测量含有或不含RLP凝聚体细胞的膜电位变化，发现含凝聚体的细胞膜电位显著超极化，其荧光信号比不含凝聚体的细胞高出7.5倍至10倍。此外，凝聚体还导致膜电位的变异性增大，这表明凝聚体通过调节细胞内电化学平衡影响膜电位，这一作用可以通过逆转凝聚体形成来进一步确认。研究人员还探讨了离子（如Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺）对膜电位的影响。结果表明，Mg²⁺和Ca²⁺的添加减少了膜电位荧光，使其接近未形成凝聚体的细胞水平，这表明这些离子可能参与了膜电位的超极化。虽然ELP凝聚体对离子的调节能力较弱，但膜电位变化依然显著，研究人员推测ELP凝聚体对膜电位的调节可能与其相变和细胞质水含量变化有关。进一步地，研究人员考察了是否可以通过蛋白质序列编程调节膜电位。实验发现，将RLP序列与超折叠绿色荧光蛋白（sfGFP）融合后，膜电位的干扰显著减弱，ANEPPS信号减少了3.5倍。这表明凝聚体介导的电化学平衡可能在凝聚体形成蛋白质的序列水平上是可编程的。

凝聚体介导的电化学效应影响细胞生理行为

膜电位的变化会通过调节小分子的流动影响细胞的生理状态。研究发现，含有RLP凝聚体的细胞在无抗生素条件下生长恢复较慢，这表明凝聚体的形成增加了细胞负担，降低了蛋白质合成速率。在抗生素存在的情况下，含凝聚体的细胞对带负电荷的抗生素（如氨苄青霉素）表现出更强的耐受性，这可能是因为膜电位的超极化减少了细胞对抗生素的摄取。然而，膜电位的超极化实际上会增加带正电荷的抗生素（如庆大霉素）的摄取，从而使细胞对这类抗生素更为敏感。由于生物分子凝聚体能够调节细胞的电化学平衡，研究人员假设这种调节可能会影响整体的细胞过程。通过RNA测序发现，凝聚体影响了1557个基因的表达，涉及离子转运、渗透应激等多个关键途径。这表明，凝聚体不仅影响特定分子，还能引发细胞基因表达的整体变化。

综上所述，该研究揭示了凝聚体通过选择性分配或排除离子来调节细胞质的pH值和离子分布，从而影响细胞膜电位和基因表达。这种调节作用具有深远影响，且凝聚体的体积分数和基因表达的随机性会导致细胞行为的高度变异。

模式图（Credit: Cell）

参考文献

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

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文章来源|“BioArt”

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