細胞中微型“器官”挑戰生物學認知底線
回想一下你高中時上的基礎生物課。你可能瞭解過細胞器,即細胞內那些具有各自功能的小“器官”。例如,線粒體產生能量,溶酶體回收廢物,細胞核儲存 DNA。儘管每個細胞器功能不同,但它們的相似之處在於每個細胞器都被一層膜包裹着。
膜結合細胞器一直被科學家視爲細胞組織方式的教科書標準,直到 2000 年代中期他們才意識到,有些細胞器不需要被膜包裹。從那時起,研究人員發現了許多其他無膜細胞器,這極大地改變了生物學家對生命化學和起源的看法。
幾年前,當學生在我的實驗室觀察到細胞核中的一些不尋常的團塊時,我才瞭解到無膜細胞器,正式稱爲生物分子凝聚體。在我不知情的情況下,我們實際上已經研究生物分子凝聚體多年了。我最終從那些團塊中看到的東西爲我打開了細胞生物學的一個全新世界。
要了解生物分子凝聚體的模樣,可以想象一個熔岩燈,其中的蠟團融合在一起,分開然後又再次融合。凝聚體以大致相同的方式形成,儘管它們不是由蠟製成的。相反,細胞內的一組蛋白質和遺傳物質,特別是 RNA 分子,會凝聚成凝膠狀的液滴。
一些蛋白質和 RNA 之所以會這樣,是因爲它們優先相互作用,而非與周圍環境相互作用,這就非常像熔岩燈中的蠟團相互混合,但不與周圍的液體混合。這些凝聚體創造了一個新的微環境,吸引了更多的蛋白質和 RNA 分子,從而在細胞內形成了一個獨特的生化區室。
截至 2022 年,研究人員已經發現了大約30 種這種無膜生物分子凝聚體。相比之下,已知的傳統膜結合細胞器約有十幾種。
雖然一旦你清楚自己所尋找的目標,就容易識別,但想要弄明白生物分子凝聚體究竟在做什麼卻十分困難。有些具有明確的作用,例如形成生殖細胞、應激顆粒和製造蛋白質的核糖體。然而,其他許多則沒有明確的功能。
無膜細胞器可能具有比有膜細胞器更多的數量和更豐富的種類的功能。瞭解這些未知功能正在影響科學家對細胞如何工作的基本理解。
生物分子凝聚體正在打破一些關於蛋白質化學的長期信念。
自從 20 世紀 50 年代科學家首次仔細觀察到肌紅蛋白的結構以來,很明顯其結構對於其在肌肉中運輸氧氣的能力很重要。從那時起,生物化學家一直將“蛋白質結構等於蛋白質功能”奉爲口頭禪。基本上,蛋白質具有特定的形狀,使它們能夠完成工作。
形成生物分子凝聚體的蛋白質至少在一定程度上打破了這一規則,因爲它們包含無序區域,這意味着它們沒有明確的形狀。當研究人員在 20 世紀 80 年代初發現這些所謂的內在無序蛋白質,或 IDPs時,他們最初對這些蛋白質如何缺乏強大的結構但仍能執行特定功能感到困惑。
後來,他們發現 IDPs 傾向於形成凝聚物。在科學中,這種情況常常發生,這一發現解決了一個有關這些無結構的異常蛋白質在細胞中所起作用的謎團,卻又開啓了另一個更深層次的問題,即生物分子凝聚物到底是什麼。
研究人員還在原核生物,即細菌細胞中檢測到 生物分子凝聚物,傳統上認爲細菌細胞是不含細胞器的。這一發現可能對科學家如何理解原核細胞的生物學產生深遠影響。
只有約 6%的細菌蛋白質 具有缺乏結構的無序區域,而在真核生物(即非細菌)蛋白質中,這一比例爲 30%至 40%。但科學家在原核細胞中發現了幾種參與多種細胞功能的生物分子凝聚物,包括製造和 分解 RNA。
細菌細胞中生物分子凝聚物的存在表明,這些微生物並非只是簡單的蛋白質和核酸的集合體,實際上要比之前所認識的更復雜。
生物分子凝聚物也在改變科學家對地球上生命起源的看法。
有大量證據表明,在常見的能量源(如紫外線或高溫)存在的情況下,在普遍常見的礦物質(如二氧化硅和鐵粘土)上,RNA 和 DNA 的構成核苷酸很有可能由常見的化學物質(如氰化氫和水)製成。
還有證據顯示,單個核苷酸可以自發地組裝成鍊形成 RNA。這是 RNA 世界假說中的關鍵一步,該假說假設地球上最早的“生命形式”是 RNA 鏈。
一個主要問題在於這些 RNA 分子怎樣纔可能進化出自我複製和組織成原細胞的機制。因爲所有已知的生命都被膜包裹着,研究生命起源的研究人員大多覺得膜也得封裝這些 RNA。這將需要合成構成膜的脂質或脂肪。然而,製造脂質所需的材料在早期地球上可能並不存在。
隨着發現RNA 可以自發形成生物分子凝聚物,形成原細胞不再需要脂質。如果 RNA 能夠自行聚集形成生物分子凝聚物,那麼地球上的生命分子從非生命化學物質中產生就變得更加合理。
對於我和其他研究生物分子凝聚物的科學家來說,夢想着這些打破常規的實體將會如何改變我們對於生物學如何運作的看法,這令人感到興奮。凝聚物已經在改變我們 對於人類疾病(如阿爾茨海默病、亨廷頓病和肌萎縮側索硬化症)的看法。
爲此,研究人員正在探索若干新途徑來 爲醫療目的操控凝聚物, 例如能夠促進或溶解凝聚物的新藥。這種治療疾病的新方法能否取得成效還有待觀察。
長遠來看,如果最終給每個生物分子凝聚物都賦予一個特定的功能,我也不會覺得意外。要是這種情況真出現了,你可以打包票,高中生物學學生在他們的生物學入門課上會有更多東西得學——或者得抱怨。