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細胞內固態液態轉變的幕後協調

細胞如何協調內部複雜的生化反應呢?最簡單的策略就是在內部空間上形成不同的隔間,以確保反應的效率。故此,一顆小小的細胞內部充滿了各種的胞器(organelles),這些細胞器一般在結構上帶有膜,以空間區隔各種不同的反應。然而,細胞內仍有不少不具有胞膜的細胞器,例如:核仁(nucleolus)、處理小體(P granules)、 核體(nuclear bodies)、應激顆粒(stress granules)等。它們能在缺乏膜的狀況下與細胞質內其他物質形成有疆界的獨立區隔。近期的研究指出,這些不具有膜的胞器是遵循物理原則,由液體與液體相位分離(phase separation)所構成的。(對細胞內相位分離機制感興趣的讀者,可觀看 Cliff Brangwynne 在 iBiology 錄製的視頻演講: Liquid Phase Separation in Living Cells

這種類似於油水分離的相位分離可藉由物理性質改變,使特定生物分子可以迅速地從細胞質中分離,聚集在一起形成顆粒(granules)。這樣的聚集固然幫助細胞進行當下必要的反應,但在失控的狀況下也會造成傷害。比方說像肌萎縮側索硬化症(ALS)等的神經退化性疾病就與神經細胞內形成類似普恩蛋白(prion)這類不易溶解的固態團塊堆積有高度關聯。那麼正常細胞是如何調控相位分離,避免細胞內隨機形成固態堆積(solid aggregation)呢?來自 Max Planck Institute for Cell and Molecular Biology 的研究為細胞質相位分離調控提供了一套解釋。

許多類普恩蛋白的 RNA 黏合蛋白(prion-like RNA binding protein)如:TDP-43、FUS,在細胞核中的濃度雖然高但卻是可溶解的,反而它們在濃度較低的細胞質中才會形成無法溶解的固態堆積。是什麼導致固態堆積只會發生在濃度較低的細胞質而不發生在濃度較高的細胞核呢?藉由 In vitro 實驗,他們發現只要在含有蛋白質實驗樣品中添加 RNA,類普恩蛋白的 RNA 黏合蛋白由相位分離所形成的包滴(droplet)就會漸漸減少。FUS 蛋白在 in vitro 的環境下一開始會形成液態聚集(liquid-liquid assemblies),隨時間的增加會相變為固態的膠狀物(solid-like gels)與纖絲(fibrils)。在 In vitro 實驗中加入 RNA 能使 FUS 蛋白維持可溶的狀態,並且不會形成纖絲。

為了證明是細胞核內高 RNA 濃度抑制了相位分離的發生,他們在活細胞的核內顯微注射(microinjection)有螢光標定的類普恩蛋白的 RNA 黏合蛋白 FUS-GFP,並再透過注射 RNA 分解酶來去除 RNA。在顯微注射 RNA 分解酶後,細胞核內也迅速地出現了 FUS-GFP 的液態聚集,並進一步相變成較大且缺乏流動性的聚集物。透過螢光顯微鏡,他們也觀察到在 RNA 結合區域(RNA binding domain)帶有突變的 FUS 蛋白會在細胞核內形成更多的聚集。原因是在突變版的 FUS 蛋白與較少 RNA 結合的狀況下,他們的溶解度較低也更容易形成聚集。若是進一步在細胞中表現這種 RNA 結合區域帶有突變的 FUS 蛋白,除了會產生更多低溶解度的膠狀堆積外,細胞死亡的速率也隨之增加。

這項發現闡述了細胞內相位分離(phase separation)調控的重要機制——既藉由細胞核內外的[RNA:蛋白質]比例差異,RNA 可以做為一種維持細胞類普恩蛋白 RNA 黏合蛋白動態的緩衝物(buffer),防止它們在細胞內產生致病性的不正常固態堆積。細胞內 RNA 濃度及蛋白質或 RNA 的結合能力改變而造成的蛋白質不正常堆積,很可能是造成神經性退化性疾病的一個重要原因。

圖片說明:油水分離,一種日常生活中最常見的相位分離。 圖片來源:https://pixabay.com/photos/oil-in-water-liquid-abstract-1438468/

參考文獻:

  1. Maharana S, Wang J, … Alberti S. (2018). RNA buffers the phase separation behavior of prion-like RNA binding proteins. Science, 360(6391), 918-921. doi:10.1126/science.aar7366
  2. Cliff Brangwynne, Liquid Phase Separation in Living Cells. iBiology (https://www.ibiology.org/biophysics/liquid-phase-separation-in-living-cells/)

撰文|陳恩浩
審稿|邱亮源

About the author

陳恩浩

陳恩浩

長庚大學生物醫學所畢業,目前於德國馬克斯普朗克免疫生物學暨表觀遺傳學所攻讀博士班,專注於癌症生物學。因科技部大專生研究計劃、國際合成生物學競賽(iGEM)而從大學開始流連於研究室中。熱衷於分享科學教育、生物醫學有關的知識與小故事。希望藉由這個平台跟更多有趣的夥伴對話。

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