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细胞内的流氓“器官”可能把持着地球上生命起源的秘密

(2024-11-07 10:46:20)

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细胞内的流氓“器官”可能把持着地球上生命起源的秘密

By Allan Albig

published 10 minutes ago

也叫生物分子凝聚物的无膜器官器正在改变科学家如何思考蛋白质化学、各种疾病甚至生命起源。

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细胞内的专们化隔室执行特定功能。 (Image credit: Christoph Burgstedt/Science Photo Library via Getty Images)

回到你在高中上的基础生物课思考。你可能学习到了器官器，那些在细胞内形成有独立功能的隔间的小“器官”。例如线粒体产生能量、溶酶体回收废物和细胞核储存DNA。尽管每个器官器有一种不同的功能，但它们在每个都被膜包裹中是相似的。

膜结合器官器是科学家们怎样思考细胞被组织直到2000年代中期他们意识到一些器官器不需要被一个膜包裹为止的课本标准。从那时起研究人员已经发现了许多额外的无膜器官器，这已经重大的改变生物学家如何思考化学和生生命的起源的。

几年前，当在我的实验室的学生在一个细胞核中观察到一些不寻常的斑点时我被引入无膜器官器，正式的叫生物分子凝聚体。对我不是知道的，我们实际上一直在研究生物分子凝聚物多年了。我最终在这些斑点中看到的东西对我打开了一个全新的细胞生物学世界。

像一个熔岩灯一样

为得到一种生物分子凝聚物看起来像什么一样的感觉，想象一个熔岩灯为里面一起融合的蜡团，分解并再次融合。凝聚物以大致相同的方式形成，尽管它们不是由蜡制成的。相反在一个细胞中的一团蛋白质和基因物质特别的RNA分子凝结成凝胶一样的液滴。

一些蛋白质和RNA这样做是因为它们优先与彼此相互作用而不是与它们的周围环境，很像一个熔岩灯的蜡团与彼此混合但不与周围的液体混合一样。这些凝聚物创造一个新的微环境，吸引额外的蛋白质和RNA分子，这样在细胞内形成一个独特的生化室。

截至2022年，研究人员已经发现了大约30种这种无膜生物分子凝聚物。相比之下已知的传统膜结合器官器大约有十几种。

虽然一旦你知道你正在寻找什么容易来识别的，但弄清楚生物分子凝聚物确切做的是困难的。有些有很好定义的角色如形成生殖细胞、应激颗粒和制造蛋白质核糖体。然而，许多其它的没有明确的功能。

无膜结合器官器可能比它们的膜结合器官器有更多样化的功能。了解这些未知的功能正在影响科学家的细胞如何工作的基本理解。

生物分子凝聚物正在打破一些长期把持的关于蛋白质化学的信念。

自从科学家在20世纪50年代首次很好观察肌红蛋白的结构以来，很明显它的结构对它的在肌肉中来输送氧气的能力是重要的。从那时起生物化学家的口头禅一直是蛋白质结构等于蛋白质功能。基本上蛋白质有特定的允许它们来执行它们的工作的形状。

形成生物分子凝聚物的蛋白质至少部分打破这一规则因为它们包含无序的区域，这意味着它们确实没有定义的形状。当研究人员在20世纪80年代初发现了这些所谓的内在无序蛋白质或IDPs时，他们最初被这些蛋白质如何可能缺乏一个强大的结构但仍然执行特定功能困惑。

后来，他们发现了内在无序蛋白质倾向于形成凝聚物。正如科学中往往的案例一样，这一发现解决了这些非结构化流氓蛋白质在细胞中起作用的一个秘密，只是打开了另一个更深层次的关于生物分子凝聚物到底是什么的问题。

细菌细胞

研究人员还已经检测到在原核细胞或细菌细胞中的生物分子凝聚物，这些细胞传统上被定义为不含器官器。这一发现可能对科学家如何理解原核细胞的生物学有深远的影响。

只有约6%的细菌蛋白质有缺乏结构的无序区域，相比真核或非细菌蛋白质有30%至40%。但科学家们已经在原核细胞中发现了几种涉及多种细胞功能包括制造和分解RNA生物分子凝聚物。

在细菌细胞中生物分子凝聚物的存在意味着这些微生物不是简单的蛋白质和核酸袋，而是实际上比以前认识到的更复杂。

在这张疱疹病毒6型的显微照片中包涵体被染成洋红色，是形成一种生物分子凝聚物的蛋白质聚集体。(Image credit: National Cancer Institute/National Institutes of Health via Wikimedia Commons)

生命的起源

生物分子凝聚物也正在改变科学家如何思考地球上生命的起源。

有充分的RNA和DNA的构建块核苷酸能在紫外线或高温等常见能源如常见化学物质二氧化硅和铁粘土存在下能被从普遍常见的矿物氰化氢和水被制造的可行的证据。

还有单个核苷酸能自发的组装成链来制造RNA的证据。这是在RNA世界假说中的关键一步，该假说假设地球上第一个“生命形式”是RNA链。

一个主要的问题是这些RNA分子如何可能已经进化来自我复制和组织成一个原细胞的机制的。因为所有已知的生命都被在膜中包围，研究生命起源的研究人员大多已经假设膜也需要来包裹这些RNA。这将需要合成构成膜的脂质或脂肪。然而需要来制造脂质的材料可能在早期地球上不存在。

随RNA能自发形成生物分子凝聚物的发现，来形成原细胞不需要脂质。如果RNA能够靠它们自己聚集成生物分子凝聚物，活的分子起源于地球上非生命化学物质变得甚至更合理了。

新疗法

对我和其他研究生物分子凝聚体的科学家，来梦想这些打破规则的实体将如何改变我们对生物学如何工作的看法是令人兴奋的。凝聚物已经正在改变我们如何思考阿尔茨海默氏症、亨廷顿氏症和卢伽雷氏症。