揭示编程不同无膜隔室之间的生物通信方式

在细胞的微观世界中,不同的无膜细胞器紧密协作,共同执行着关键的生理功能。然而,截至目前,无膜细胞器之间生物合成层面的沟通机制尚未成功建立。2025 年 2 月 5 日,上海交通大学的夏小霞与 Qian  Zhi-Gang 作为共同通讯作者,在《Nature Chemical Biology》(影响因子为 13)上在线发表了一篇题为 "Programming biological communication between distinct membraneless compartments" 的研究论文。该研究成果意义重大,它揭示了一个二元群体的无膜区室,这些区室能够在细胞环境条件下共存,并实现生物通讯以及可控反馈。

这些区室复合体源自无细胞表达系统中两种正交相分离的蛋白质。它们的形成可以按照特定的时间和顺序进行精准编程,从而实现按需的分子输送。值得一提的是,这种聚生体能够对蛋白酶信息或编码该蛋白酶的 DNA 信息做出响应,完成对功能性蛋白质货物的感知、加工与递送。并且,基于 DNA 的分子程序还能通过安装一个在信使 RNA 水平上控制信息流的反馈环,得到进一步的开发利用。这些研究结果不仅加深了我们对无膜细胞器之间串扰机制的理解,更为构建功能性区室联合体提供了关键的设计原则。

细胞为了精确调控自身的生物功能,会将细胞成分组织成物理上相互分离的隔室。这种空间上的分隔,凸显了细胞不同功能区域之间进行有效交流的重要性。除了那些被膜包裹的经典功能区室,通过液 - 液相分离(LLPS)形成的无膜细胞器(MLOs),凭借其高度动态的特性,在代谢过程和信号通路等众多生物过程中发挥着广泛作用。有研究表明,在细胞命运决定的过程中,无膜细胞器之间通过共享蛋白质组分进行的串扰是至关重要的。然而,目前我们对于无膜细胞器间串扰重要性的认识还十分有限。到现在,在细胞内实现多个无膜细胞器群体的概括或重新编程,仍然是一项极具挑战性的任务。尽管科研人员在利用合成聚合物、DNA 分子和直链淀粉衍生物构建多相无膜隔室方面付出了诸多努力,但这些方法存在着固有的局限性,这在一定程度上限制了对生物交流与合作的深入探索,例如在协调复杂生化反应和调节网络中的 DNA - mRNA - 蛋白质信息流方面。因此,迫切需要新的设计原则,来丰富我们构建能够在细胞环境中共存、合作并执行生物学任务的群体的工具集。

在本研究中,研究人员成功在基于细菌大肠杆菌细胞裂解物的表达系统中,构建出了能够共存且生物连通的无膜区室的二元群体。这种隔室复合体基于两种内在无序的蛋白质:极点组织蛋白 Z(PopZ)和 resilin 样蛋白 R32。其中,PopZ 通过在新月柄杆菌(Caulobacter crescentus)的极点形成微区,来调节不对称细胞分裂;而 R32 则能够在重组大肠杆菌细胞中形成无膜隔室。值得注意的是,它们的自主形成和不混溶特性能够在细胞环境条件下自然实现,无需额外添加任何大分子物质。更有趣的是,不同隔间的出现时间和顺序可以按照按需串扰的要求进行编程。此外,研究人员还证实,隔室复合体能够响应蛋白质或 DNA 信息,对功能蛋白质货物进行感应、处理和递送,并且基于 DNA 的分子程序能够通过安装可控信息流的反馈环得到进一步的利用。

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