Nat Chem Biol丨揭示編程不同無膜隔室之間的生物通信方式_風聞

細胞內不同的無膜細胞器密切合作,組織重要的功能。然而,生物合成的溝通無膜細胞器尚未創建。2025年2月5日,上海交通大學夏小霞、Qian  Zhi-Gang 共同通訊在Nature Chemical Biology(IF=13)在線發表題為“Programming biological communication between distinct membraneless compartments”的研究論文,該研究報告了一個二元羣體的無膜區室能夠共存,生物通訊和細胞環境條件下的可控反饋。隔室複合體來自無細胞表達系統中兩個正交相分離的蛋白質。它們的出現可以按照時間和順序進行編程,以便按需輸送分子。特別地,該聚生體可以響應蛋白酶信息或編碼該蛋白酶的DNA信息來感知、加工和遞送功能性蛋白質貨物。這種基於DNA的分子程序可以通過安裝一個在信使RNA水平上控制信息流的反饋環來進一步利用。這些結果有助於理解無膜細胞器之間的串擾,並提供了一個設計原則,可以指導功能區室聯合體的建設。

細胞通過將細胞成分組織成物理上分離的隔室來精確地調節它們的生物功能。這種空間上的不連續性強調了細胞功能不同區域之間交流的重要性。除了被膜包圍的經典功能區室,通過液-液相分離(LLPS)形成的無膜細胞器(MLOs)利用其高度動態的性質,有助於代謝過程和信號通路的廣泛功能。有人提出,在細胞命運決定中,MLO之間共享蛋白質組分的串擾是必不可少的。然而,人們對MLO間串擾的重要性的理解仍然有限。到目前為止,在細胞內概括或重新編程多個MLO羣體仍然具有內在的挑戰性。儘管使用合成聚合物、DNA分子和直鏈澱粉衍生物在多相無膜隔室的化學構建方面做出了顯著的努力,但其固有的侷限性可能會限制生物交流和合作的探索,例如協調複雜生化反應和調節網絡的DNA–mRNA–蛋白質信息流。因此,新的設計原則是必要的,以擴大工具集,構建一個可以共存和合作,在細胞環境條件下執行生物學任務的羣體。

不同區域間的蛋白質信號(圖源自Nature Chemical Biology)在此,研究人員報道了在基於細菌大腸桿菌細胞裂解物的表達系統中,構建了共存和生物連通的無膜區室的二元羣體。隔室複合體基於兩種內在無序的蛋白質:極點組織蛋白Z (PopZ ),通過在bacterium Caulobacter crescentus的極點形成微區來調節不對稱細胞分裂;以及能夠在重組大腸桿菌細胞中形成無膜隔室的resilin樣蛋白R32。它們的自主形成和不混溶是在細胞環境條件下實現的,無需外加任何大分子物質。有趣的是,不同隔間的外觀可以按照按需串擾的時間和順序進行編程。此外,研究人員證明了隔室複合體可以感應、處理和遞送功能蛋白質貨物以響應蛋白質或DNA信息,並且基於DNA的分子程序可以通過安裝可控信息流的反饋環來進一步利用。

參考消息:

https://www.nature.com/articles/s41589-025-01840-4