Nature子刊：首次获得细胞内动态分子聚集的准确数据

　　利用一种新开发的显微镜方法，来自弗莱堡和剑桥的研究人员首次能够量化活细胞中小的、动态的分子聚集体是如何形成的。这种聚合体在信号处理中起着重要的作用。

　　

在细胞中，许多重要的过程发生在无膜的分子聚集体中，这有助于确保所涉及的分子以适当的浓度存在并且彼此接近。来自德国弗莱堡大学CIBSS卓越集群和英国剑桥大学的科学家们，直到现在才第一次能够观察和分析活细胞中这种凝聚物的形成。他们在《自然通讯》杂志上发表文章称，这一过程不仅受物理力量的控制，还受活跃的生物机制的控制。实验规程和分析工具都是免费提供的，因此即使在较不先进的实验室也能对小聚集体进行研究。

如果细胞内的分子完全随机分布，细胞就无法存活。为了使许多生化过程以协调的方式发生，将其细分为更专门的区室是必要的。一些这样的隔室是由膜相互隔开的，但许多其他的不是。这种“无膜”分子聚集体，也被称为缩聚物，因为它们的大小和数量特别灵活，所以具有重要的生物学功能。通常认为它们是通过“液-液相分离”的物理过程形成的。

“这些冷凝物是细胞中重要的控制机制，因为它们可以根据需要加速或减缓生化过程，”Thorsten Hugel教授解释说。他是Freiburg大学综合生物信号研究中心CIBSS卓越集群的成员，并与剑桥大学的Aleks Reinhardt教授共同领导了目前的研究。

较小的凝析油更难探测

Hugel说，凝析物如何帮助细胞处理生物信号和环境刺激还有待研究。“研究通常集中在大的静态凝析物上，因为它们更容易研究。但这些大型凝析物通常只是一个漫长过程的最后阶段。在许多方面，动态生长和衰变的小凝析物更有趣，”他解释说。问题是:从结构上看，它们包含相对较少的分子，因此即使是高分辨率显微镜方法也无法在活细胞中研究，它们也太小太快了。

新方法克服了技术上的限制

在目前的研究中，弗莱堡和剑桥的科学家们描述了一种绕过这些技术限制的方法。特别是，他们使用传统的带有倾斜激光的高分辨率荧光显微镜，即所谓的HILO显微镜，并将其与特殊的实验程序和基于人工智能的分析方法相结合。

增长停滞不能用简单的物理模型来解释

研究人员将在活细胞中进行的测量与对凝析物形成的传统理论描述进行了比较。莱因哈特是剑桥大学化学系的研究员，他说:“结果一开始让我们很惊讶。”“对于我们在这里研究的凝析油，正如人们所期望的那样，初始增长仍然遵循熟悉的物理模型。然而，一旦它们达到一定的规模，它们的增长就会突然停止。”

NELF聚集体的生长受应力信号的调控

在目前的研究中，研究人员调查了NELF蛋白的聚集体。当细胞受到压力时，例如由于高温，或者当其他蛋白质聚集时，就会形成这些蛋白质聚集体，就像在痴呆症和神经退行性疾病中发生的那样。“通过在细胞核中形成凝聚体，NELF更有效地抑制了基因的表达，”合著者Ritwick Sawakar博士总结了这种蛋白质的自然功能。“这种抑制对细胞在压力下存活很重要。”Sawakar也曾在CIBSS工作，目前正在剑桥大学MRC毒理学部门进行研究。

科学家们现在观察到，许多小的NELF凝聚物也存在于非压力细胞中。“在非生物系统中，一旦达到临界尺寸，我们可能会期望冷凝物继续增长。但在活细胞中，只有当细胞受到压力时才会出现这种情况”。由此，科学家们得出结论，NELF凝析物在细胞中以一种主动的方式保持小，直到应力信号允许快速大规模的凝析物生长。

蛋白质聚集体似乎对信号处理很重要

根据科学家的说法，虽然这个过程一开始可能看起来很复杂，但它可能对处理应力信号至关重要:“它允许较大的凝析物快速形成，而当需要时，较小的凝析物可以溶解，”Hugel解释说。“这使细胞能够及时对压力做出反应。”随着年龄的增长，这种对压力的有效反应尤为重要，因为许多与年龄相关的神经退行性疾病都是由不那么有效的压力反应引起的。

一般认为，蛋白质聚集体在细胞信号处理中具有许多不同的基本功能。新开发的方法使研究人员能够全面了解这些功能。此外，这也使得研究蛋白质聚集体在错误折叠疾病(如痴呆和神经退行性疾病，如阿尔茨海默氏症或亨廷顿氏症)中的作用成为可能。从长远来看，对这些机制的透彻理解将有助于诊断疾病和开发治疗方法。

关于卓越集群CIBSS卓越集群CIBSS -综合生物信号研究中心-旨在全面了解跨尺度的生物信号过程-从单个分子和细胞之间的相互作用到器官和整个生物体的过程。由此获得的知识可用于有针对性地控制信号。这反过来使研究人员不仅能够在研究中获得见解，而且还能够开发医学和植物科学方面的创新。www.cibss.uni-freiburg.de

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Quantitative real-time in-cell imaging reveals heterogeneous clusters of proteins prior to condensation