(Weitanium/译)大家都知道细胞很小,一个动物细胞的平均直径只有10微米,但是为什么细胞不能大一点呢?传统的观点认为,如果细胞体积变大,则会使其难以吸取足够的养分和能量去维持细胞本身的运作。这个观点一直是标准说法——但最近,普林斯顿大学的生物工程师玛丽娜•费里克(Marina
Feric)和克里夫•布朗韦恩(Cliff
Brangwynne)在期刊《自然·细胞生物学》(Nature Cell
Biology)上发表论文,阐述了重力对细胞大小的影响。

大多数的生物学教科书中都提到,膜结构是细胞中最重要的组织构成形式。磷脂双层膜包裹着线粒体、内质网、溶酶体等多种细胞器,以分隔细胞器内外的不同蛋白质。其余的细胞组成部分则悬浮于细胞基质中。细胞基质中的蛋白质偶尔会遇到其他的可结合分子,如底物和小分子药物。

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图片 2“是重力!”——重力/引力(gravity)也是电影《星际穿越》中的关键词,正是引力异常让库珀发现了NASA的坐标,而图中的引力方程也是片中拯救全人类的关键。图片来源:nydailynews.com

但是现在,这一情况正在逐渐变化。随着科学研究的不断深入,生物分子凝聚物,由蛋白质和RNA组成的暂时性流体液滴,被发掘了出来。人们将这些生物分子凝聚物称为无膜细胞器。关于这些无膜细胞器结构和生物物理学特性的研究在过去的10年里突飞猛进。科学家和药物研发者们也越来越重视这一独特的生物学结构。

导读

12月8日在费城举办美国细胞生物学学会和国际细胞生物学联合会大会上,费里克和布朗韦恩将发言介绍重力对细胞的影响,解释非洲爪蟾(Xenopus
laevis
)巨大的卵细胞如何支撑核内成千上万无膜的细胞区室。从细胞来看,非洲爪蟾的卵细胞很大,其单个细胞核就比人体内大部分的细胞还要大。如果说人类细胞的平均大小相当于美国普通房屋,那么非洲爪蟾卵细胞就如同帝国大厦。费里克和布朗韦恩选取这种体积如“摩天大厦”的细胞,对其机械特性进行深入研究。

我们将近期发表于《Nature Reviews Drug
Discovery》上有关无膜细胞器的一篇文章编译和整理成了上下两篇。本文是上篇,主要介绍了无膜细胞器研究的历史及其与疾病之间的关系。随后发表的下篇则将分析无膜细胞器研究对医药行业发展的影响,以及大药企和初创企业在这一领域的布局。

在医学技术飞速发展的今天,不少人还是会提“癌”色变,视癌症为“绝症”的代名词。加拿大多伦多大学的研究人员开发了一款新型纳米机器人,它将带领我们从细胞的角度,更加直观地观测细胞在癌症不同时期的状态,为癌症治疗带来新的希望。这项成果发表在新一期美国《Science
Robotics》杂志上,论文链接:

在细胞中,大部分细胞区室都有膜包裹,而那些无膜细胞区室则像没有瓶子装着的啤酒,或者像是没有栅栏包围的绵羊,没有一种物质真正意义上支撑、分隔它们。但这些无膜的细胞区室并没有聚成一团坠在细胞核底部,这表明它们似乎没有受到重力的影响。

初步证据表明,这些通过被称为液-液相分离的过程形成的无膜细胞器,与健康和疾病关系密切。在某些情况下,它们似乎起着坩埚一样的作用,加速其组分之间的反应,并且防止自己的组分与自身结构以外的分子接触。影响无膜细胞器形成和分解的基因突变,似乎也与神经退行性疾病、癌症等疾病息息相关。

其中一种无膜区室就是核体。核体由RNA和蛋白质组成,呈小液滴状。在细胞核中,它们就像是被油包裹的醋滴。按理来说,每当它们靠在一起,它们就会融合并下沉,然而事实上它们却并没有在细胞核底部聚成一团。费里克和布朗韦恩曾发现,肌动蛋白网通过使核体保持较小的体积,从而避免核体聚集成团。那这种肌动蛋白网为何如此强韧呢?

在细胞中默默无闻了上百年的无膜细胞器

作者:凛冬

核仁在肌动蛋白网的作用下可以很好的悬浮在细胞核中。但当肌动蛋白网被破坏后,核仁迅速沉到底部,聚集成一团。视频来源:eurekalert.com

距离无膜细胞器首次被报道已经经过了一个多世纪。早在1899年,细胞生物学先驱Edmund
Beecher
Wilson就在《Science》杂志的一篇综述中描述了无膜细胞器的广泛存在,并且这些结构在数十年中都存在于细胞结构图之中。但是,由于人们对这些结构在细胞中的作用及其组分的生物物理学特性知之甚少,极少有研究人员关注这个领域。

编辑:Aliey

费里克和布朗韦恩希望测量地球施加在核体上的引力,是如何抗衡肌动蛋白网所提供的支持力的。他们向细胞核内注射了一个磁珠,利用外加磁场让磁珠给细胞施加一个力。他们发现,细胞核中的肌动蛋白网比果冻还要软,不过它和果冻一样,戳一下也会很快恢复原状。肌动蛋白像果冻一样包裹着核体,使其不受地球引力的影响。随着在磁珠上施加的外力变大,肌动蛋白会表现出非牛顿流体(译者注:液体粘度会随切变率变化而变化)的特性,质地变得更加致密且粘稠,使核体免于聚成一团下坠,从而保护了细胞核。不过,当施予的外力足够大时,肌动蛋白网也会破裂,不再能包裹住核体。

大约十年前,这种情况开始发生变化。

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这表明肌动蛋白网的机械特性会帮助细胞核抵抗重力作用,同时也使细胞核兼具柔韧性和刚性,以维持生命活动;而如果细胞体积过大,其受到的重力大于肌动蛋白网所能提供的支持力,细胞核内的物质就无法维持正常的结构了。(编辑:球藻怪)

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新型纳米机器人装置介绍

文章题图:vinteeage.com

图1:从细胞核中滴出的P质粒

这款新型纳米机器人在多级磁性“镊子”的操控下,可以实现在活体细胞中精准活动。这里的多极磁性镊子装置由6个磁极、6个线圈组成,其中3个磁极和3个线圈被装在顶部,另外3个磁极和3个线圈被嵌在底部。如图:

图片来源:Clifford P.Brangwynne,Christian R.Eckmann,et al.Germline P
Granules Are Liquid Droplets That Localize by Controlled
Dissolution/Condensation.Science.324,1729.

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2009年,当时在马克斯普朗克研究所从事博士后研究的Cliff
Brangwynne和他的主管Tony
Hyman在通过显微镜观察秀丽隐杆线虫的胚胎。他们最初的目的是想了解P颗粒(线虫的生殖质,由RNA和RNA结合蛋白构成)的起源,但在观察过程中他们发现,P颗粒的表现像是油醋汁中的油滴,从细胞核中滴落,相互融合,并迅速在基质中发生凝聚和分解。他们在2009年的《Science》杂志上报道了这项工作。这一论文也由于首次将“相分离”的概念应用于描述特定无膜细胞器上而成为了里程碑式的论着。

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{“type”:1,”value”:”“镊子”采用的是高磁导率箔制成的尖端,可以保证极大的磁梯度。该装置被放置在显微镜的玻片上,以保证微珠进入放置在玻片上的细胞时受到三维磁场的力,如图

图2:显微注射针头推动下观察到的核仁融合

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在将微珠通过细胞微注射或内吞引入后,进入线圈产生的磁场。进而被“磁化”,研究人员可以通过计算机算法改变6个磁线圈的电流建立三维磁场,实现微珠在细胞内的三维导航以及可以控制微珠向细胞内的结构施加力。

图3:绿色荧光蛋白标记下观察到的核仁融合

图片 10为实现细胞胞内微珠的控制和较高的分辨率的视觉反馈,研究人员在计算机算法上也下了苦工,提出了一种广义预测控制算法。该算法能够较好地考虑到微珠的动态特性,提供更好的视觉反馈,使得空间和时间上的机械测量成为现实。”
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图片来源:Clifford P.Brangwynne,Timothy J.Mitchison,et al.Active
liquid-like behavior of nuleoli determines their size and shap in
Xenopus laevis oocytes.Proc.Natl.Acad.Sci.108,4334

{“type”:1,”value”:”磁性微操作技术的优势