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Scientists discover a secret to how cells sort RNA into droplets

生物学中一个长期存在的谜团是,细胞中数百万个相互碰撞的分子是如何“找到”彼此并组织成功能结构的。因此,2008年海洋生物实验室生理学课程的参与者们意识到,简单的相分离——比如油与水的分离——可能是在细胞内创造秩序的一种重要方式,这是一个巨大的惊喜。

尽管这一观点并非没有争议,但它已经在细胞生物学领域掀起了一场风暴。在过去的十年中,科学家们观察到蛋白质和RNA分子在从细菌到人类的许多细胞中凝结成水滴,或无膜凝聚物。他们还注意到,在健康细胞中形成液滴的蛋白质在疾病环境中也能“固化”,比如神经退行性疾病。但是,是什么使某些分子聚集在同一液滴中,而其他分子却被排除在外,一直没有得到解释。

本周的《科学》杂志上,一个研究小组首次展示了RNA分子由于具有特定的三维形状而相互识别,从而凝结成相同的液滴。该研究的资深作者,北卡罗莱纳大学教堂山分校的Amy S. Gladfelter,作为HHMI/HCIA暑期研究所的一部分,在MBL开始了这项工作。HHMI/HCIA暑期研究所由70名科学家组成,他们在5个夏天的激烈协同研究中探索了这种新兴的细胞组织范式。

MBL研究员Gladfelter和她的同事在研究真菌细胞时发现,如果RNA分子的三维结构允许它们通过互补的碱基配对结合在一起,那么它们最终就会形成相同的液滴。

Gladfelter说:“如果RNA分子的二级三维结构能够屏蔽任何互补作用,那么它们最终会在不同的液滴中形成。”“但随着rna浓缩成相同的液滴,它们的互补序列真的暴露出来了,因此它们可以找到彼此和碱基对,进行更高阶的相互作用。”

这一发现很重要,因为它揭示了形成这些rna蛋白凝集的选择性机制。科学家们在细胞中随处可见rna蛋白凝集,但其功能仍不清楚。冷凝物可以作为“坩埚”,通过将特定分子集中在一起来增强生物反应。或者它们可能会隔离细胞在特定生物学过程中不需要的分子。

液滴是通过蛋白质和RNA分子的混合而形成的。(资料来源:EM Langdon等人,《科学》2018)

Gladfelter在之前的真菌实验中已经证明,细胞经历液-液相分离对于两个不同的生物过程的发生是至关重要的。格莱德菲尔特说:“但我们需要更多的例子来证明它对细胞功能的真正影响。”该领域需要证据“证明这不仅是蛋白质和rna可以做到的事情,而且是大自然为之选择的。”

也有迹象表明,这些液体冷凝物向更固态的转变可能是蛋白质聚集性疾病的一个因素,如阿尔茨海默氏症、帕金森症和亨廷顿氏症、肌萎缩侧索硬化症和朊病毒病。格莱德菲尔特说,目前的发现“帮助我们了解正确的成分是如何被吸收到液滴中的,从而使细胞有可能避免向异常的固态转变。”

“这是MBL的学生和教师对生物研究做出重大贡献的众多例子之一,”MBL的临时研究主任戴维·马克·韦尔奇(David Mark Welch)说。重要的是,最初的观察是通过一项创新的、多学科的合作——MBL的HHMI/HCIA暑期研究所——进行的。这些协同效应在MBL产生了非凡的科学成果。”

主要作者是北卡罗来纳大学教堂山分校的艾琳·兰登。

引文:“mRNA结构决定了多聚物驱动相分离的特异性,”EM Langdon等人,《科学》,2018年。DOI: 10.1126 / science.aar7432

新闻英文原版地址:https://news.uchicago.edu/story/scientists-discover-secret-how-cells-sort-rna-droplets