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细胞如何应对不同温度或急性环境刺激并维持稳态?

2021年01月14日 09:56 转发自 BioArt 点击:[]

细胞功能依靠胞内成千上万种分子的相互作用实现,而这些分子必须在时空上精密的协调配合。不过,蛋白分子的折叠会随温度发生改变,分子的移动扩散也可以因温度而变化,进而影响分子间相互作用的反应速率。然而,我们从未看到细胞功能被环境温度变化扰乱。温血生物可以在宽泛的环境温度下正常生长,真核单细胞出芽酵母耐受的温度差也可以达到至少30℃。那么, 细胞是如何响应温度变化、保证胞内分子互作正常进行、维持细胞内稳态的呢?

1974年,Sinensky等的开创性工作发现,细胞通过调整细胞膜中脂质含量调控细胞膜的黏性,以使细胞膜在不同温度下维持合适的流动性。可是,细胞质对温度刺激的稳态调节机制是怎样的呢?

近日,美国斯坦福大学 Onn BrandmanCell发表文章 Cellular Control of Viscosity Counters Changes in Temperature and Energy Availability指出细胞质也有一套机制可以使其在不同温度下维持黏性恒定。这种胞质黏性的调节是细胞应对不同温度或急性环境刺激,维持稳态的重要手段。



为了研究细胞质内环境的稳态调节机制,作者建立了一套简便巧妙的试验体系。首先,作者选择出芽酵母这种单细胞真核生物作为研究模型,以活细胞和细胞提取物分别模拟体内、体外两种试验条件。其次,作者利用了一系列生物物理学的实验方法测定细胞内黏度和生化反应速率等指标。比如,利用荧光漂白恢复试验FRAP (Fluorescence recovery after photobleaching)观察淬灭区域荧光重新恢复的时间,用以代表荧光分子的扩散速率,并指征细胞质内的黏度;利用细胞内共表达BirA酶和Avi标签标记的诱饵蛋白,添加底物生物素后,BirA酶可以催化生物素添加到诱饵蛋白的Avi标签上,然后在含有亲和素的胶中进行凝胶电泳,通过大分子量迁移条带的灰度指征反应速率。此外,作者巧妙地设计了热刺激、低葡萄糖或饥饿等环境刺激,细致分析了瞬时或适应后分子扩散或反应的情况。 值得注意的是,作者还将细胞质黏度与近期的热点研究领域“相分离”自然联系在一起,发现细胞维持胞内稳态、调节胞质黏度的过程也是一个影响“相分离”的过程。

基于这套简便巧妙的试验体系,作者首先比较了活细胞和细胞提取物中分子反应的速率和扩散系数,发现 体外细胞提取物中分子扩散系数会随温度升高而加快,而活细胞中分子扩散系数没有变化。于是,作者推测:活细胞内可能存在某种物质可以提高胞质的黏度,调节胞质内分子扩散速率。接下来,作者利用蛋白合成抑制剂CHX排除了这种物质是蛋白质的可能性,同时发现糖原和海藻糖参与了胞质内黏度的调节。随后,作者利用糖原、海藻糖合成酶缺失或药物阻断的方法, 证实了糖原和海藻糖响应环境刺激、调节胞质内黏度的充要性。而且,糖原和海藻糖对溶液特点的影响相对独立又相互互补。只有糖原的溶液不会发生相变,但是会影响溶液中分子的分布;只有海藻糖的溶液会发生海藻糖浓度依赖性的“液-固”相转变。而同时含糖原和海藻糖的溶液介于两者之间,维持一种胶样的、有延展性的稳态。最后,作者借助基于荧光共振能量转移技术FRET的ATP传感器,进一步揭示热刺激、营养耗竭这些导致细胞启动黏度调节的环境刺激,或许都属于与低ATP水平相关的信号。至此,作者阐明了一种胞质稳态维持的新机制,即: 低ATP水平相关的环境刺激,包括热休克刺激、饥饿等影响了胞质内环境,为了维持胞质内环境稳态,细胞启动黏度调节机制,合成糖原和海藻糖,通过改变胞质内黏度,影响固液相变和溶液流动性,维持胞质内反应速率的恒定。

然而, 作者的试验结果均来自出芽酵母这一单细胞生物,而海藻糖仅由非恒温物种产生。对于哺乳动物或人体细胞调节黏性的具体机制,是否也利用了糖原,其具体机制还有待未来进一步解析。但不难确定,文中对生物物理试验技术的运用和对稳态维持过程中“相变”的分析,都值得借鉴。



原文链接
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.017


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