微小的蛋白质像气球一样 “挤压” 细胞

来源: 生物通 / 作者: 2021-08-06
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通过使细胞骨架向内弯曲到中心的一个紧点,一个细胞分裂成两个——很像你通过扭曲来制造气球动物。这种名为 “卷曲” 的蛋白质首次被观察到能弯曲构成细胞骨架的材料。

他们的研究成果得到了欧洲研究理事会 (European research Council) 和维康基金会 (Wellcome Trust) 的支持,发表在《生命》(eLife) 杂志上,指出了修改和工程细胞的新方法,并更好地理解了细胞的复制过程——这是所有生物都必不可少的过程。

所有的生物都是由细胞组成的,细胞被一层脆弱而灵活的膜包围着,就像气球一样。这是由一种叫做肌动蛋白的物质组成的细胞骨架支撑的,这种物质赋予细胞结构和稳定性。肌动蛋白的细丝是半柔性的,通常是直的,长期以来人们认为它们像火柴棍一样堆叠在一起形成结构。

在细胞分裂过程中,细胞会沿着周围膜的中心产生一个细胞动力环,这是一种由肌动蛋白和运动蛋白组成的机械,称为肌凝蛋白。然后,肌凝蛋白将肌动蛋白丝收缩在一起,并将细胞从中间向下挤压,直到细胞分裂——就像制造气球动物的各个部分,除了内部。

到目前为止,人们认为,当细胞被挤压得更紧时,构成细胞动力环的肌动蛋白丝就会分裂。华威大学的 Mohan Balasubramanian 教授、Saravanan Palani 博士 (现就职于印度科学研究所) 和 Darius K?ster 博士进行了跨学科合作,他们惊讶地发现蛋白质 Rng2 的一个片段,昵称为 “卷曲”,可以自然弯曲肌动蛋白,10 微米的肌动蛋白形成一个直径小于 1 微米的环。

这可能表明,“卷曲” 在细胞动力学环收缩到足够紧密以分裂细胞方面起着关键作用。

20 多年前,该研究的主要作者之一 Mohan Balasubramanian 教授发现了 Rng2,它是这一过程中的一种重要蛋白质,但直到现在,研究人员才做出了惊人的观察: 它可以将肌动蛋白丝弯曲成实际的环。Rng2 与从酵母到人类的高度保守的 IQGAP 蛋白家族有关,因此该发现可能也与包括人类在内的其他细胞有关。

华威医学院的首席作者 Darius Kster 博士说:“我们展示的是,如果我们在细胞膜上有这种蛋白质,我们在细胞膜上聚合新鲜的肌动蛋白丝,代表细胞动力学环中发生的事情,肌动蛋白开始弯曲。” 如果在细胞中,它是一个弯曲的表面肌动蛋白就会弯曲。

“据我们所知,没有其他蛋白质对单个丝状体做这种工作。如果你观察细胞内部,肯定有弯曲的肌动蛋白结构,但人们认为它们是由非常短的直丝堆积在一起。这打开了一种视角,即肌动蛋白可能是缠绕在几何形状和某些细胞器上的。”

研究人员使用了一种被称为重构的方法,他们通过将一个复杂的系统分解成其组成部分,然后重新组装它,以找出每个单独的元素所起的作用。

在这项由欧洲研究理事会和威康基金会资助的研究中,他们制作了一个脂质双分子层来代表细胞膜,并实验在其中添加了不同的蛋白质,这些蛋白质通常在细胞分裂期间与细胞动力学环的界面上发现。然后他们添加了肌动蛋白丝和肌凝蛋白来代表环本身。当 “卷曲” 出现时,他们观察到肌动蛋白形成高度弯曲的结构,这种行为在这类实验中通常看不到。

它开启了使用 “卷曲” 作为工具来设计不同形状的细胞的可能性。科学家可以用它来修改细胞骨架,将细胞扭曲成新的形状,就像气球模型一样。

Kster 博士补充道:“我们只有很少的工具可以用来修改细胞皮层,而且我们第一次有了一种方法来设计弯曲的肌动蛋白结构。因为我们可以在细胞中表达它,细胞对它做出反应,我们可以用它来改变细胞皮层的样子。

“这可以帮助我们真正理解弯曲的肌动蛋白是如何使细胞膜变形的,或者细胞是否利用这一机制来控制某些过程。似乎有一些蛋白质喜欢扭曲和改变肌动蛋白的曲率,如果这种情况发生,很可能会有其他蛋白质将其作为信息线索。”

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