保持电池运动部件连接的巧妙胶水

来自 Paul Scherrer Institute PSI 和 ETH Zurich 的研究人员发现了细胞中的蛋白质如何形成微小的液滴，这些液滴充当智能分子胶。 他们发现的粘附在称为微管的细丝末端的胶水可确保细胞核正确定位以进行细胞分裂。这一发现发表在《自然细胞生物学》上，解释了细胞机器的移动蛋白质结构如何耦合在一起这一长期存在的谜团。

联轴器对于带有运动部件的机器至关重要。无论是刚性还是柔性，无论是电机轴之间的连接还是我们身体的关节，材料特性都能确保机械力按需要转换。没有什么比细胞更好的优化了，在细胞中，移动的亚细胞结构之间的相互作用支撑着许多生物过程。然而，大自然是如何产生这种耦合的，长期以来一直困扰着科学家们。

现在，研究人员在研究对酵母细胞分裂至关重要的偶联时发现，要做到这一点，蛋白质会相互协作，从而凝结成液滴。这项研究是 Paul Scherrer Institute PSI 的 Michel Steinmetz 团队与苏黎世联邦理工学院的 Yves Barral 团队在苏黎世联邦理工学院的 Eric Dufresne 和 Jörg Stelling 团队的帮助下合作完成的。

通过形成液滴，蛋白质实现了完美的材料特性，以确保生物功能。Barral 认为，这一发现只是对智能液体在细胞中所起作用的新认识的开始，Barral 的研究小组正在研究酵母中的细胞分裂过程。“我们发现，从宏观角度来看，由生物分子组成的液体可能非常复杂，并且表现出比我们习惯的更广泛的性质。在这方面，我认为我们会发现这些液体具有令人印象深刻的特性，这些特性是经过数百亿年的进化选择的。”

微管：细胞的牵引绳

该研究的重点是发生在微管末端的耦合——微管的细丝纵横交错地穿过细胞的细胞质，与外星触手有着令人不安的相似之处。这些中空管由结构单元微管蛋白形成，充当拖绳，将各种货物运送到细胞中。

微管在细胞分裂过程中接收它们最重要的货物之一。在酵母中，它们的重要作用是在母细胞和出芽的子细胞之间拖动含有分裂染色体的细胞核。为此，微管必须通过运动蛋白连接到锚定在新兴子细胞细胞膜中的肌动蛋白电缆。然后马达蛋白沿着肌动蛋白电缆行走，将微管拉入子细胞，直到其珍贵的遗传物质货物到达两个细胞之间的预定目的地。

这种耦合——细胞分裂进行所必需的——必须承受运动蛋白行走时的张力，并使细胞核能够被巧妙地操纵。PSI 的研究小组是微管结构生物学专家 Michel Steinmetz 解释说：“在微管和运动蛋白之间，需要一种胶水。没有它，如果微管分离，你最终会得到一个没有遗传物质且无法存活的子细胞。”

天然弹性联轴器

在酵母中，构成所谓 Kar9 网络核心的三种蛋白质装饰微管尖端以实现这种耦合。它们如何获得必要的材料特性似乎与对蛋白质相互作用的传统理解相矛盾。

长期以来，科学家们一直感兴趣的一个问题是，即使在添加或移除微管蛋白亚基时，三个核心 Kar9 网络蛋白如何保持附着在微管尖端：相当于拖缆末端的钩子保持原位，同时插入相邻的绳索部分或剪掉。在这里，他们的发现提供了一个答案：就像一滴液体胶水会粘在铅笔的末端一样，所以这种蛋白质“液体”可以粘在微管的末端，即使它生长或收缩也是如此。

研究人员发现，为了实现这种液体特性，三个核心 Kar9 网络蛋白通过弱相互作用网络进行协作。由于蛋白质在许多不同的点相互作用，如果一个相互作用失败，其他相互作用仍然存在，并且“胶水”在很大程度上持续存在。研究人员认为，这赋予了微管所需的灵活性，即使在张力下也能保持与运动蛋白的连接。

为了做出他们的发现，研究人员有条不紊地探索了 Kar9 网络的三种蛋白质成分之间的相互作用。基于之前研究中在瑞士光源 SLS 获得的结构知识，他们可以突变蛋白质以选择性地去除相互作用位点并观察体内和体外的影响。

在溶液中，这三种蛋白质聚集在一起形成不同的液滴，就像水中的油一样。为了证明这种情况发生在酵母细胞中，研究人员研究了突变对细胞分裂的影响以及蛋白质追踪收缩微管末端的能力。

“证明蛋白质在体外相互作用形成液体冷凝物是相当简单的。但提供令人信服的证据证明这就是体内发生的事情是一个巨大的挑战，我们花了好几年时间，”Steinmetz 解释说来自荷兰的同事在 2015 年的评论出版物中。

不是你的沼泽标准多用途胶水

Barral 对胶水的复杂程度感到震惊。“它不仅仅是一种胶水，而是一种智能胶水，能够整合空间信息，只在合适的地方形成。” 在细胞质中相同微管的复杂缠结中，只有一个微管接收液滴，使其能够附着在肌动蛋白电缆上并将遗传信息拉到位。“大自然如何设法在一个微管的末端组装复杂的结构，而不是其他微管，这令人难以置信，”他强调说。

研究人员认为，蛋白质的液体特性在实现这种特异性方面起着重要作用。就像香醋中的小油滴融合在一起一样，他们假设小油滴最初在许多微管上形成，随后以某种方式汇聚在单个微管上形成一个更大的油滴。这究竟是如何实现的仍然是一个谜，并且是 Steinmetz 和 Barral 团队调查的主题。