想象一下酵母细胞的生命，漂浮在厨房里的孢子中，最终落在一碗葡萄上。
生活是美好的：吃几天，至少在有人注意到腐烂的水果并将它们扔掉之前。但随后阳光透过窗户照射进来，碗所在的柜台部分变热了，突然间，对于不起眼的酵母来说，生活变得不舒服了。当温度过高时，细胞会关闭其正常过程以度过压力条件，并在另一个凉爽的日子里享用葡萄。
细胞的这种“热休克反应”是生物适应的经典模型，是生命基本过程的一部分 – 从单细胞酵母到人类的生物中保存 – 使我们的细胞能够适应环境中不断变化的条件。多年来，科学家们一直专注于不同基因如何对热应激做出反应，以了解这种生存技术。
现在，由于创新地使用了先进的成像技术，芝加哥大学的研究人员正在对细胞的内部机制进行前所未有的观察，以了解它们如何对热应激做出反应。
“适应是细胞隐藏的超能力，”芝加哥大学博士后研究员Asif Ali说，他专门捕获细胞过程的图像。“他们不必一直使用这种超能力，但是一旦他们陷入恶劣的条件，突然之间，就没有出路了。因此，他们将其作为一种生存策略。
细胞如何适应
Ali在芝加哥大学分子遗传学和细胞生物学助理教授David Pincus的实验室工作，他们的团队研究细胞如何适应压力和复杂的环境，包括热休克反应。
在10月16日发表在《自然细胞生物学》（Nature Cell Biology）上的这项新研究中，他们结合了几种新的成像技术，表明为了应对热休克，细胞对其孤儿核糖体蛋白（当正常细胞处理关闭时极易聚集的关键蛋白质）采用保护机制，将它们保存在液体状冷凝物中。
一旦热休克消退，这些冷凝物在分子伴侣蛋白的帮助下分散，促进孤儿蛋白整合到功能性成熟核糖体中，这些核糖体可以再次开始产生蛋白质。核糖体生产的这种快速重启使细胞能够在不浪费能量的情况下恢复原状。
该研究还表明，无法维持这些凝聚物液态的细胞不会恢复得那么快，在试图复制丢失的蛋白质时落后十代。
新的细胞生物学技术
“Asif开发了一种全新的细胞生物学技术，让我们首次实时可视化细胞中的孤儿核糖体蛋白，”平卡斯说。“像许多创新一样，它需要技术突破才能让我们看到一种全新的生物学，这种生物学以前对我们来说是不可见的，但一直在我们研究多年的细胞中进行。
核糖体是所有细胞细胞质内的关键机器，它们读取信使RNA上的遗传指令并构建折叠成蛋白质的氨基酸链。产生核糖体来执行这一过程是能量密集型的，因此在热休克等压力条件下，细胞关闭以保存能量的第一件事。
然而，在任何给定时间，细胞内新合成的蛋白质中有50%是尚未完全翻译的核糖体蛋白质。细胞中每分钟产生多达一百万种核糖体蛋白，因此如果核糖体生产关闭，这数百万种蛋白质可能会在无人看管的情况下漂浮，容易聚集在一起或折叠不当，这可能会导致问题。
阿里和平卡斯没有关注基因在热休克期间的行为，而是想看看细胞内部，看看这些“孤儿”核糖体蛋白会发生什么。为此，Ali转向了一种名为晶格光片4D成像的新显微镜工具，该工具使用多张激光来创建活细胞内组件的全尺寸图像。
因为他想关注热休克期间孤儿蛋白发生了什么，阿里还使用了一种称为“脉冲标记”的经典技术，具有现代风格：一种称为“HaloTag”的特殊染料来标记新合成的孤儿蛋白。
通常，当科学家想要跟踪细胞内蛋白质的活性时，他们会使用绿色荧光蛋白标签，在显微镜下发出亮绿色的光。但是由于细胞中有如此多的成熟核糖体蛋白，使用GFP只会照亮整个细胞。相反，使用HaloTag染料的脉冲标记允许研究人员只点亮新创建的核糖体，而让成熟的核糖体变暗。
“松散附属的生物分子粘液”
使用这些组合成像工具，研究人员看到孤儿蛋白质被收集成核仁附近的液体状物质液滴（平卡斯使用科学术语“松散附属的生物分子粘液”）。这些斑点伴随着分子伴侣，这些蛋白质通常通过帮助折叠新蛋白质来帮助核糖体生产过程。在这种情况下，伴侣似乎正在“搅拌”收集的蛋白质，使它们保持液态并防止它们聚集在一起。
平卡斯说，这一发现很有趣，因为许多人类疾病，如癌症和神经退行性疾病，都与错误折叠或聚集的蛋白质团块有关。一旦蛋白质纠缠在一起，它们也会保持这种状态，所以这种“搅拌”机制似乎是另一种适应。
“我认为细胞健康和疾病的一个非常合理的一般定义是，如果东西是液体并且四处移动，你就处于健康状态，一旦东西开始堵塞并形成这些聚集体，这就是病理学，”平卡斯说。“我们真的认为我们正在揭示可能与临床相关的基本机制，或者至少是许多人类疾病的机制核心。
该研究得到了美国国立卫生研究院的支持，奖励编号为R01 GM138689和R35 GM144278，以及Neubauer家庭基金会和国家科学基金会量子飞跃挑战研究所生物物理学和生物工程量子传感资助OMA-2121044的支持。其他作者包括芝加哥大学的Rania Garde，Olivia C. Schaffer，Jared A. M. Bard，Kabir Husain，Samantha Keyport Kik，Kathleen A. Davis，Sofia Luengo-Woods，Maya G. Igarashi，D. Allan Drummond和Allison H. Squires。
这个故事改编自 芝加哥大学生物科学部的网站。
新闻旨在传播有益信息，英文版原文来自https://news.uchicago.edu/story/taking-look-inner-workings-cells-see-how-they-respond-heat-stress