研究人员研究细胞如何适应压力和复杂的环境

想象一下酵母细胞的生活，它以孢子的形式漂浮在厨房周围，最终落在一碗葡萄上。生活是美好的：几天的食物，至少直到有人注意到腐烂的水果并将它们扔掉。但随后阳光透过窗户照射进来，柜台上放碗的部分就会升温，突然间，这种不起眼的酵母的生活就变得不舒服了。当温度过高时，细胞会关闭正常的进程，以度过压力环境，并在另一个凉爽的日子里享用葡萄。

细胞的这种“热休克反应”是生物适应的经典模型，是生命基本过程的一部分——从单细胞酵母到人类的生物中都存在——使我们的细胞能够适应环境条件的变化。多年来，科学家们一直致力于研究不同基因如何应对热应激，以了解这种生存技术。现在，由于先进成像技术的创新使用，芝加哥大学的研究人员正在对细胞的内部机制进行前所未有的观察，以了解它们如何应对热应激。

“适应是细胞隐藏的超能力，”芝加哥大学博士后研究员阿西夫·阿里博士说，他专门捕捉细胞过程的图像。“他们不必一直使用这种超能力，但一旦他们陷入困境，突然就没有出路了。所以，他们将其作为一种生存策略。”

阿里在芝加哥大学分子遗传学和细胞生物学助理教授 David Pincus 博士的实验室工作，他们的团队研究细胞如何适应压力和复杂的环境，包括热休克反应。在 2023 年 10 月 16 日发表在《自然细胞生物学》上的这项新研究中，他们结合了几种新的成像技术，表明细胞在应对热休克时采用了一种保护机制来保护其孤儿核糖体蛋白，这些孤儿核糖体蛋白是生长的关键蛋白，但非常脆弱当正常细胞处理停止时，通过将它们保存在液体状冷凝物中来聚集。

一旦热休克消退，这些冷凝物就会在分子伴侣蛋白的帮助下分散，从而促进孤儿蛋白整合到功能成熟的核糖体中，从而可以再次开始大量生产蛋白质。核糖体生产的快速重启使细胞能够在不浪费能量的情况下重新开始。研究还表明，无法维持这些凝结物液态的细胞无法快速恢复，在尝试复制丢失的蛋白质时会落后十代。

Pincus 说：“Asif 开发了一种全新的细胞生物学技术，让我们首次实时可视化细胞中的孤儿核糖体蛋白。”“像许多创新一样，技术突破使我们能够看到一种全新的生物学，这种生物学以前我们看不见，但一直在我们研究多年的细胞中发生。”

松散连接的生物分子粘液

核糖体是所有细胞细胞质内的重要机器，它读取信使 RNA 上的遗传指令并构建折叠成蛋白质的氨基酸链。生产核糖体来执行这一过程是能源密集型的，因此在热休克等压力条件下，它是细胞为了节省能量而首先关闭的东西之一。但在任何特定时间，细胞内新合成的蛋白质中有 50% 是尚未完全翻译的核糖体蛋白质。细胞中每分钟产生多达一百万个核糖体蛋白质，因此如果核糖体生产停止，这些数百万个蛋白质可能会在无人看管的情况下漂浮在周围，容易聚集在一起或不正确折叠，这可能会导致问题。

阿里和平卡斯没有关注基因在热休克期间的行为，而是想深入细胞机制，看看这些“孤儿”核糖体蛋白会发生什么。为此，Ali 求助于一种名为晶格光片 4D 成像的新型显微镜工具，该工具使用多片激光来创建活细胞内组件的全维度图像。

由于他想专注于热休克过程中孤儿蛋白发生的情况，阿里还使用了一种名为“脉冲标记”的经典技术和现代技术：一种称为“HaloTag”的特殊染料来标记新合成的孤儿蛋白。通常，当科学家想要追踪细胞内蛋白质的活动时，他们会使用绿色荧光蛋白 (GFP) 标签，该标签在显微镜下会发出亮绿色的光。但由于细胞中有如此多的成熟核糖体蛋白，使用 GFP 只会照亮整个细胞。相反，HaloTag 染料的脉冲标记允许研究人员仅点亮新创建的核糖体，而使成熟的核糖体保持黑暗。

使用这些组合成像工具，研究人员发现孤儿蛋白质被收集到核仁附近的液体状物质液滴中（平卡斯使用了科学术语“松散附属生物分子粘性物质”）。这些斑点伴随着分子伴侣，这些蛋白质通常通过帮助折叠新蛋白质来协助核糖体生产过程。在这种情况下，分子伴侣似乎正在“搅拌”收集到的蛋白质，使它们保持液态并防止它们聚集在一起。

平卡斯说，这一发现很有趣，因为癌症和神经退行性疾病等许多人类疾病都与错误折叠或聚集的蛋白质团块有关。一旦蛋白质缠结在一起，它们也会保持这种状态，所以这种“搅拌”机制似乎是另一种适应。

平卡斯说：“我认为细胞健康和疾病的一个非常合理的一般定义是，如果物体是液体并且四处移动，那么您就处于健康状态，一旦物体开始堵塞并形成这些聚集体，那就是病理学。”“我们确实认为我们正在揭示可能与临床相关的基本机制，或者至少是许多人类疾病的机制核心。”

寻找原子尺度的结构

未来，阿里希望采用另一种称为冷冻电子断层扫描的成像技术，这是一种使用电子显微镜的应用，同时冷冻细胞样本以原子分辨率捕获其内部组件的图像。这项技术的另一个优点是，它允许研究人员捕获细胞本身内部的 3D 图像，而不是分离和准备用于成像的蛋白质。

使用这种新工具，研究人员希望观察蛋白质凝聚物的内部，看看它们的组织方式是否有助于它们在热休克消退后轻松分散并恢复活性。

“我必须相信它们不仅仅是混乱和混合在一起的，”平卡斯说。“我们希望在看似杂乱无章的汤中看到，会有一些结构和秩序来帮助它们快速开始再生。”

本新闻稿中报道的研究得到了美国国立卫生研究院 (NIH) 的支持，奖励编号为 R01 GM138689 和 R35 GM144278，并得到了 Neubauer Family Foundation 和美国国家科学基金会 (NSF) 量子跃迁挑战研究所的支持。生物物理学和生物工程拨款 OMA-2121044。其他作者包括来自该大学的 Rania Garde、Olivia C. Schaffer、Jared AM Bard、Kabir Husain、Samantha Keyport Kik、Kathleen A. Davis、Sofia Luengo-Woods、Maya G. Igarashi、D. Allan Drummond 和 Allison H. Squires芝加哥。内容完全由作者负责，并不一定代表 NIH 或 NSF 的官方观点。