生物分子凝聚体调控细胞电化学平衡与生理行为的机制研究
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生物分子凝聚体是细胞内普遍存在的微观结构,能够通过相分离形成特定的化学环境,调节细胞的生理功能。它们不仅参与转录、应激反应和RNA剪接,还对离子分布和电化学平衡具有重要影响。最近,杜克大学的Lingchong You和Ashutosh Chilkoti团队在《Cell》期刊上发表了一篇题为《Biomolecular condensates regulate cellular electrochemical equilibria》的文章,研究了生物分子凝聚体在调节细菌电化学环境中的作用,并揭示了其对基因表达和细菌在抗生素压力下生存能力的影响。
首先,研究团队考察了RLP(树脂样多肽)凝聚体对细胞质离子环境的影响。实验结果表明,RLP凝聚体的形成使细胞质pH值变酸,而凝聚体内部则呈现碱性。此外,RLP凝聚体显著改变了细胞质中Mg²⁺和Ca²⁺的浓度,增加了细胞质中Na⁺的含量。这表明,凝聚体通过选择性分配或排除离子,对细胞内的电化学环境产生了显著影响。同时,凝聚体的形成也减少了细胞质中蛋白质浓度的波动,但却增加了细胞质pH值的变异性,放大了细胞间的化学环境差异。
除了对细胞质离子分布的调节,研究还发现RLP凝聚体能够显著影响细胞膜电位。实验数据显示,含有RLP凝聚体的细胞表现出膜电位的超极化,其荧光信号比不含凝聚体的细胞高出7.5倍至10倍。膜电位的超极化可能是由凝聚体内的Mg²⁺和Ca²⁺的积累所引发的。此外,凝聚体还增加了膜电位的变异性,进一步表明它们通过调节细胞内的电化学平衡影响了膜电位。通过将RLP与超折叠绿色荧光蛋白(sfGFP)融合,研究人员发现膜电位的干扰显著减少,这表明凝聚体形成的电化学效应可能与蛋白质的序列有关,具有一定的可编程性。
生物分子凝聚体不仅影响细胞的电化学环境,还显著改变了细胞的生理行为。在无抗生素条件下,含有RLP凝聚体的细胞生长速率较慢,说明凝聚体的形成增加了细胞的代谢负担。而在抗生素压力下,凝聚体的存在则增强了细胞对带负电荷抗生素(如氨苄青霉素)的耐受性,这是由于膜电位的超极化减少了抗生素的摄取。然而,凝聚体的超极化效应反过来增强了细胞对带正电荷抗生素(如庆大霉素)的敏感性,因为超极化增加了这类抗生素的摄取。
为了更好地理解凝聚体对细胞的整体影响,研究人员进行了RNA测序,发现凝聚体的形成影响了1557个基因的表达,这些基因涉及离子转运、渗透压应激等多个关键细胞过程。研究表明,凝聚体不仅影响局部的生物化学反应,还能驱动基因表达的整体变化,进一步支持了凝聚体在细胞电化学平衡和生理功能中的核心作用。
综上所述,生物分子凝聚体通过调节细胞内离子的分配与排除,显著影响了细胞质的pH值、离子浓度和膜电位,从而调节了细胞的基因表达和生理行为。这一发现为理解细胞间电化学差异和凝聚体在细胞应激反应中的作用提供了新的视角。
2025-01-19
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