在兩項新的研究中，美國普林斯頓大學(xué)的研究人員通過開發(fā)出兩種利用光探測細胞行為奧秘的新工具，報道了稱為無膜細胞器（membraneless organelle）的細胞組分形成的條件以及這種形成對細胞DNA的影響。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年11月29日的Cell期刊上，論文標題分別為“Mapping Local and Global Liquid Phase Behavior in Living Cells Using Photo-Oligomerizable Seeds”和“Liquid Nuclear Condensates Mechanically Sense and Restructure the Genome”。普林斯頓大學(xué)化學(xué)與生物工程副教授Clifford Brangwynne是這兩篇論文的通訊作者。

Brangwynne說，從長遠來看，開發(fā)研究中使用的這兩種光操縱系統(tǒng)至少與這兩篇論文的研究結(jié)果一樣重要。這些研究人員開發(fā)出的工具讓科學(xué)家們能夠準確地探測細胞內(nèi)的相分離---一種將細胞內(nèi)混亂的液體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄约毎麉^(qū)室（即無膜細胞器）的過程。

盡管長期以來，這些細胞器受到人們的忽視，但是經(jīng)證實它們在人類健康中起著關(guān)鍵作用。比如，它們的液體樣稠度的喪失與包括癌癥、阿爾茨海默病和肌萎縮側(cè)索硬化癥在內(nèi)的疾病有關(guān)。 Brangwynne實驗室之前的研究已表明無膜細胞器在細胞生長中起著重要作用。在他們*新發(fā)表的這兩篇Cell論文中，就有一篇論文證實它們也影響著控制細胞行為的基因。

Brangwynne說，“我們*近開發(fā)的這些用于控制細胞內(nèi)相變的技術(shù)經(jīng)證實是基礎(chǔ)研究的強有力工具，并且具有許多應(yīng)用，特別是在人類健康方面。”

在**項研究中，Brangwynne團隊開發(fā)出一種稱為Corelets的工具，并利用它定量地描述細胞中促進相分離的蛋白的濃度。鑒于蛋白濃度有助于調(diào)節(jié)無膜細胞器的組裝，這種稱為相圖（phase diagram）的描述將有助于科學(xué)家們研究在細胞的某些局部區(qū)域而不在其他的局部區(qū)域產(chǎn)生這些無膜細胞器的機制。這接著可能指出處理發(fā)生差錯的蛋白聚集物的方法。

這種Corelets工具使用了經(jīng)過基因改造的光敏蛋白，當接受光線照射時，它們會發(fā)生形狀變化和改變它們自身的行為。就這項研究而言，這些光敏蛋白是稱為鐵蛋白的人血液蛋白，它們聚集在一起形成一種微小的球體。接受藍光照射導(dǎo)致其他的蛋白結(jié)合到這種鐵蛋白球體上。通過改變某些參數(shù)，這些研究人員能夠利用這種技術(shù)觸發(fā)細胞不同區(qū)域中的相分離。

在第二項研究中，Brangwynne團隊研究了無膜細胞器的形成如何影響細胞核。這些研究人員開發(fā)出一種稱為CasDrop的工具。CasDrop是一種基于CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)的光遺傳學(xué)工具，可用來確定細胞中特定基因的位置。他們將Cas9設(shè)計成一個平臺，一旦經(jīng)光激活后，其他的蛋白與特定基因結(jié)合從而在局部發(fā)生相分離，結(jié)果就是在染色質(zhì)上形成微小的液滴。

這些研究人員利用這種工具研究了染色質(zhì)，即細胞核內(nèi)DNA、RNA和蛋白的混合物。他們發(fā)現(xiàn)，當無膜細胞器在細胞核內(nèi)形成時，它們會以意想不到的方式讓染色質(zhì)變形。他們發(fā)現(xiàn)所形成的液滴會擠出不需要的基因，但能夠同時將特定的靶基因聚集在一起。因此，這些液滴能夠像小的機械活動機器一樣發(fā)揮著重構(gòu)基因組的作用。

總之，這些研究人員開發(fā)出這兩種光學(xué)工具來研究蛋白之間的相互作用如何動態(tài)地在活的細胞中形成具有相變性質(zhì)的聚集物。這兩篇論文突出了在物理學(xué)與細胞生物交叉領(lǐng)域取得的令人興奮的發(fā)現(xiàn)，它們將有助于人們在未來開發(fā)出治療癌癥和阿爾茨海默病等疾病的新方法。