芝加哥大学科学家的两项研究展示了一种研究细胞内部运作的新方法，特别是跟踪细胞内许多微小细胞器内的离子流动。
他们的发现不仅表明这些传感器可以工作，而且还揭示了细胞器确实调节离子的证据 – 这是一个以前争论过的生物学问题。
该技术可以帮助揭示有关细胞功能的新信息，这可以促进我们对帕金森氏症等疾病和病症的理解和治疗。
“一个未被充分探索的地区”
我们知道细胞需要钠和钾等离子才能发挥作用——这就是为什么当你跑马拉松时，你不仅需要喝水，还需要喝电解质。细胞将这些离子用于许多功能，如信号传导和肌肉收缩，因此它们对进出细胞的离子流动保持非常严格的控制。
但我们对细胞内各个部分 内 离子的作用知之甚少。这些是细胞器——高尔基体、溶酶体、线粒体等，它们各自执行特殊功能。
“这是一个未被充分探索的领域，因为我们还没有测量细胞器内部离子的工具，”芝加哥大学化学家和合著者Junyi Zou说。“但有充分的理由相信离子浓度在细胞器内很重要。
Zou和同事Palapuravan都是芝加哥大学Yamuna Krishnan教授实验室的成员，他专门制造由DNA制成的微小“设备”来研究细胞的内部运作。
因为它们是由DNA制成的，所以它们具有生物学相容性和无毒性，因此它们可以用来在开展业务时窥视活细胞 – 与不能 在体内使用的更常用的方法相比，这是一个显着的优势。这些设备还可以承受通常禁用其他类型传感器的pH值。
为了完成这项任务，为了完成这一壮举，该团队需要让传感器到达特定细胞内的特定类型的细胞器。为此，他们附着了一个分子，让传感器搭在一种蛋白质上，这种蛋白质通常作为正常功能的一部分在细胞膜和特定细胞器之间穿梭。
一旦进入细胞器，传感器就会与附近的离子发生反应并使它们发光，科学家可以在显微镜下看到。“这使我们能够通过测量传感器的亮度来量化离子水平，”Zou解释说。
Zou和Palapuravan各自专注于不同的离子和不同类型的细胞器。
Palapuravan专注于追踪细胞器内的钾，这些细胞器是细胞回收机制的一部分。这些称为回收内体的细胞器负责分选和移动离子通道进出细胞表面，但没有人测试过这些离子通道是否在细胞内其他任何地方积极调节离子水平。
结果很清楚：“离子通道在细胞器中肯定是活跃的，”Palapuravan说。
这一发现为找出离子浓度的确切作用开辟了一条新的研究途径。
“我们知道离子通道与帕金森氏症等疾病有关，但迄今为止的药物通常针对仅在质膜上而不是细胞器上的离子通道，”Palapuravan说。“它们在细胞器内的活动可能会产生有趣的新作用，并且可以开发新药。
溶酶体的作用
与此同时，Zou的研究重点是追踪称为溶酶体的细胞器内的钠离子。溶酶体分解细胞碎片，在几种疾病中很重要，但没有人设法在里面获得功能性钠传感器。
使用新的传感器，研究小组发现了溶酶体确实在积极调节细胞钠的证据，这表明溶酶体在帮助细胞调节钠水平方面起着重要作用。
他们还发现了证据表明，溶酶体中的钠含量对于生物体在暴露于高盐水平下存活很重要;没有溶酶体钠转运蛋白的蠕虫不太可能在高盐环境中存活。“这与整个生物体的新陈代谢有着有趣的联系，”周说。
在未来的研究中，传感器应该有助于探索离子和离子通道在细胞内的作用，为生物学和疾病的新基本理解打开大门。
“我对我们的传感器揭示钠和钾 – 对健康和疾病如此重要的离子 – 正在细胞器膜上积极移动这一事实感到非常兴奋，”两篇论文的资深作者Yamuna Krishnan教授说。“总之，这两项发现改变了我们对细胞器膜的看法，从惰性袋，其目的是简单地将它们的内容物运送到目的地，到它们在这样做时嘶嘶作响的活动 – 从而使它们的内部与外部交流。
芝加哥大学的其他作者包括Koushambi Mitra，Daphne Oettinger，Joseph Ramirez，Aneesh Tazhe Veetil，Priyanka Dutta Gupta，Jayson Smith，Paschalis Kratsios和Anand Saminathan，以及来自约翰霍普金斯大学医学院，肯塔基大学医学院和伊利诺伊大学医学院的共同作者。
引文：
“一种用于以单细胞器分辨率绘制钠的DNA纳米装置。邹等人，《自然生物技术》，2023年9月21日。
“用DNA纳米器件检测钾通道的细胞器特异性活性。帕拉普拉万等人，《自然生物技术》，2023 年 9 月 21 日。
资助：美国国立卫生研究院，空军科学研究办公室，人类前沿科学计划，小野制药基金会。
新闻旨在传播有益信息，英文版原文来自https://news.uchicago.edu/story/first-time-scientists-follow-sodium-and-potassium-inside-cell-organelles