微生物研究：細胞如何“吃”自身的液體成分？

由相分離蛋白構成的液滴（洋紅色）能與自噬膜（綠色）相互作用。該論文表明，這種滴-膜作用與“濕潤”有關，並由液滴的表麵張力所決定。當自噬膜在液滴表麵擴張時，表麵張力過低的液滴無法承受膜的彎曲並隨之發生形變。這就導致液滴被自噬作用一個個地“咬掉”。以上圖片展現了體外培養的人類細胞中正在發生的這一過程。圖片來源：Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-020-2992-3
自噬（autophagy）是一種基本的細胞過程，細胞通過自噬將自身功能失調或多餘的成分捕獲、降解並回收利用。最近的研究發現，相分離的液滴（droplet）在細胞中起著一係列重要作用。由德國、挪威與日本合作的國際研究團隊揭開了液滴如何通過自噬被捕獲，以及液滴如何作為一種媒介促進細胞質自噬發生的機製。
兩個世界的相遇
自噬是一種對人類健康起到關鍵作用的細胞內降解途徑，它在幾十年間吸引著細胞生物學家們的注意，東京工業大學的大隅良典教授由於發現自噬機製而獲得了2016年諾貝爾生理學或醫學獎。最近發現，自噬作用可以降解液滴，這些液滴由相分離形成，它們在快速跟進的研究中被認為是細胞中重要的結構成分。但液滴是怎麽被“吃掉”的仍懸而未決。
這個簡單卻重要的問題由東京大學的Roland Knorr博士提出，研究團隊集合了來自德國哥廷根，挪威奧斯陸以及日本東京的研究人員，包括來自東京工業大學創新研究院的Alexander I. May博士。該團隊旨在理解自噬體吞下液滴的生物學過程，同時發現自噬和液滴的關係中蘊藏著一種精細的物理學機製。他們的結果發表在最近一期《自然》（Nature）雜誌，標誌著我們對自噬如何捕捉細胞內物質，以及液滴如何在細胞中降解的理解取得了重大突破。這些發現有望啟發一些治療性的研究，靶向於自噬和在神經退行性疾病中觀察到的液滴物質的異常積累。
一次咬一口
在自噬的第一步中，分離膜（isolation membrane）是由雙層脂膜組成的自噬基本功能結構，形如泄氣的網球，它逐漸擴張，彎曲形成一種杯狀結構，最終形成被稱作“自噬體（autophagosome）”的球狀結構。自噬體捕捉細胞質和其他液滴之類的胞內物質，將貨物從細胞質中取出，隨後貨物被分解，其零件被細胞回收利用。研究人員將目光聚焦於液滴的分離，他們發現這一過程可以借助一些簡單而基礎的物理學原理來理解。由於受到表麵張力的作用，液滴呈現球狀，表麵張力可以使液滴的表麵積減到最少。液滴抵抗球體形變的能力有多強取決於自身的表麵張力，而表麵張力的數值反映了液滴與周圍細胞質相互排斥的程度。重要的是，脂膜能夠覆蓋在液滴與細胞液的交界處，這種現象被稱作“濕潤（wetting）”。濕潤取決於膜順應液滴和細胞液的相互作用的程度，以及液滴的表麵張力。


圖片來源：Pixabay
研究人員建立了一種說明這些物理力的理論模型，用於解釋自噬膜如何與液滴相互作用並將其捕獲。他們發現，液滴分離膜的形狀集合取決於液滴抵抗形變能力與分離膜彎曲傾向的競爭。May博士解釋了物理力如何決定液滴分離膜相互作用的結果：“在自噬的開始階段，液滴上的分離膜非常小，意味著它們隻有很弱的彎曲傾向。而當膜麵積擴大時，膜更容易彎曲，即彎曲能增加。液滴的表麵張力決定了其抵抗形變的能力，如果表麵張力夠低，分離的彎曲能就能到達超過表麵張力的臨界點。在這個例子中，液滴的一小部分被‘咬掉’並捕獲到自噬體。如果無法到達臨界點，液滴的表麵張力在這場競爭中‘獲勝’，超過了膜的彎曲能，分離膜就會繼續沿著液滴表麵擴張，最終吞下整個液滴。液滴自噬因此也可理解為液滴表麵張力與分離膜彎曲能的‘拔河比賽’。”
隨著模型預測了“部分自噬”與“整體自噬”間的對立統一，該團隊想要在活細胞中證明這些發現。研究人員使用結合了熒光與電子顯微鏡的先進技術來追蹤液滴的成分，液滴中富含一種叫做p62或SQSTM1的蛋白質。就像模型中液滴表麵張力低的情況所預測的那樣，液滴表麵小隔離膜的位置緊隨著被“咬掉”的液滴部分。但該團隊需要研發一種控製液滴表麵張力的新方法來驗證液滴性質對其分離的影響。
按需自噬
為了解答這個問題，研究人員設計出一種評估細胞內環境複雜度的小型人工實驗係統。借助這種方法，他們在高表麵張力的液滴表麵膜出現前，發現了自發形成的分離膜狀結構。這項實驗設計的可調性讓研究人員得以降低表麵張力，因此驗證其在液滴捕獲中的作用。正如模型預測的那樣，他們觀察到扁平的分離膜通過一種杯狀的中間體轉變為如同自噬體的結構，由此從液滴上咬下一口。總的來說，這些結果證明了此模型的真實性，並說明濕潤是控製液滴形成自噬體的物理機製。


圖片來源：Pixabay
這些結果說明生物學家們仍隻揭開了相分離對自噬的意義中的冰山一角。有意思的是，去年發表在《自然》（Nature）雜誌的另一項由大隅良典、Knorr和May博士共同完成的研究顯示，酵母細胞形成自噬體的地方其實是無法被捕獲的液滴。Knorr博士提醒說：“我對於發現液滴是新的關鍵自噬結構非常感興趣。我們發現一些液滴會被p62之類的自噬體降解，但另一些卻不會，包括形成自噬體的地方。我們想弄清這些現象背後的原因。”
模式轉換
上文描述的分離膜彎曲與液滴表麵張力間的競爭前提是分離膜粘到液滴表麵時性質不會發生改變。然而這種情況不太可能出現，因為在自噬時分離膜兩端濕潤著兩種不同的液體：液滴和細胞質。為了解釋這種現象，研究團隊擴展了模型，發現這種濕潤引發的分離膜內在不對稱性決定了彎曲的方向，以及被捕獲分解的物質——無論是通過部分途徑的液滴；還是遠離液滴，由分離膜擴張捕獲的細胞質。最終的結局是由分離膜、液滴性質和細胞質狀態的特定組合，共同決定液滴是自噬的目標，還是違背直覺地作為周圍細胞質完成自噬的平台。
為了驗證這點，研究人員對p62蛋白進行了修飾，使其缺少與分離膜蛋白相互作用的特殊結構，由此減弱分離膜與液滴的聯係。這一處理產生了根本性的影響：當分離膜開始沿著p62液滴在野生型（未編輯）細胞中擴張時，它們反而彎曲捕獲了細胞質，原封不動地將液滴留下。液滴性質的細微變化就能對活細胞的自噬方式造成如此關鍵的影響，決定液滴是整體或部分被吞噬，還是捕獲細胞質中的物質。
解釋這種轉換遵循的基本原理為我們對自噬機製的理解提供了全新的觀點，以及液滴的作用和細胞中濕潤的物理學原理。這些理解為後續一係列細胞生物學中物理力作用的新研究夯實了基礎，也為弄清楚自噬在難以治愈的疾病中起到的作用提供了新線索，比如神經退行性疾病和癌症。
翻譯：盧大山
審校：巢栩嘉
引進來源：東京工業大學
引進鏈接：https://phys.org/news/2021-01-cells-fluid-components.html
本文來自：環球科學


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