《Nature》子刊：一个简单的方法人工干预细胞内“相分离”

　　

杜克大学的生物医学工程师证明了一种控制一类新兴蛋白质相分离的方法，从而在人类细胞内创造出人工无膜细胞器，为工程合成结构创造了机会，以调节现有的细胞功能或在细胞内创造全新的行为。

这项研究结果发表在8月3日的《Nature Chemistry》杂志上。

蛋白质需要折叠成与不同生物分子结构相互作用的特定三维形状。研究人员先前认为蛋白质必须有这些固定的形状才能发挥作用。但是在过去的二十年里，人们发现了一大类新的内在无序蛋白质（IDPs），它们的大区域是“松软的”——也就是说，它们不会折叠成一个明确的三维形状。现在人们了解到这些区域在控制各种细胞功能中起着重要的、前所未知的作用。

IDPs在生物医学应用中也很有用，因为它们可以经历相变——例如从液体到凝胶，或者从可溶状态变为不溶状态，然后再次变化——以响应环境触发因素，比如温度的变化。这些特征也决定了它们在细胞环境中的相行为，并通过调节IDPs的特性（如分子量或氨基酸连接在一起的顺序）来控制。

杜克大学生物医学工程杰出教授Ashutosh Chilkoti说：“尽管有许多天然的IDPs在细胞中表现出阶段性行为，但它们有许多不同的口味，很难辨别出控制这种行为的规则。本文提供了非常简单的工程原理，可在一个细胞内编程这种行为。”

“该领域的其他人已经采取了自上而下的方法，他们将对一个自然的IDP进行改变，并观察其在细胞内的行为变化，”在Chilkoti实验室工作的研究科学家、该研究的第一作者MichaelDzuricky说。“我们正采取相反的方法，用简单的热力学原理建立我们自己的人工IDPs。这使我们能够精确地调整一个单一的特性——IDPs相图的形状——来更好地理解这个参数是如何影响生物行为的。”

在这篇新论文中，研究人员首先从自然界中寻找聚集在一起在细胞内形成“生物分子凝聚体”的IDPs。这些弱结合的结构允许细胞在不构建膜包封的情况下创造隔间。以普通果蝇中的一个这样的IDP为基础，研究人员设计出一个分子更简单的人工版本，保留了相同的行为。

这个简单的版本允许研究人员精确地改变IDP的分子量和IDPs的氨基酸。研究人员表明，根据这两个变量调整，IDPs在试管中在不同温度下聚集在一起形成这些隔间。通过不断尝试各种调整和温度，研究人员对控制IDP行为最重要的设计参数有了坚实的了解。

然而，试管与活细胞是不一样的，因此研究人员进一步证明了他们的工程化IDPs在大肠杆菌中的行为。正如预测的那样，他们的人工IDPs聚集在一起，在细胞的细胞质中形成一个微小的液滴。由于IDPs的行为现在已经被很好地理解了，今后就能用试管原理作为指导来控制结合。

“我们能够改变细胞内的温度，从而对它们的相行为进行完整的描述，这反映了我们对试管的预测，”Dzuricky说。“在这一点上，我们设计了不同的人工IDPs系统，其中形成的液滴具有不同的材料特性。”

换言之，由于研究人员了解如何控制IDPs的大小和组成以对温度作出反应，他们可以编程使IDPs在细胞内形成密度不同的液滴或隔间。为了展示这种能力对生物医学工程师是如何有用的，研究人员随后利用他们的新发现的知识，创造出一种细胞器，在细胞内执行特定的功能。

研究人员表明，他们利用IDPs包封一种酶来控制其活性水平。通过改变IDPs的分子量，IDPs携带的酶要么增加要么减少，这反过来又影响到它与细胞其他部分相互作用的程度。

为了证明这种能力，研究人员选择了将乳糖转化为可用糖的酶。研究人员用荧光报告器实时跟踪这种酶的活性，以确定工程化的IDPs细胞器是如何影响酶活性。

未来，研究人员相信可以利用IDPs细胞器来控制对疾病状态重要的生物分子的活性水平。或者了解自然的IDPs如何扮演相似的细胞角色，并理解他们有时如何以及为什么会出现故障。

“这是第一次有人能够精确地定义蛋白质序列是如何控制细胞内的相分离行为的，”哲里基说我们使用了一个人工系统，但我们认为同样的规则也适用于自然的国内流离失所者，我们很高兴开始测试这一理论。”

Chilkoti说：“我们现在也可以通过将细胞中的任何蛋白质与这些人工IDP融合，来对这种阶段行为进行编程。”我们希望这些人工IDP将为合成生物学控制细胞行为提供新的工具。”

原文检索：De novo engineering of intracellular condensates using artificial disordered proteins

（生物通：伍松）