Một Nguồn Gốc Mới Của Sự Tổ Chức Tế Bào Trong Hóa Học Cuộc Sống

Hãy tưởng tượng đóng gói tất cả mọi người trên thế giới vào Hồ Salt Lớn ở Utah - tất cả chúng ta chen chúc vai nhau, nhưng cũng đang lao vút qua nhau với tốc độ điên rồ. Điều này cho bạn một số ý tưởng về cách 5 tỷ protein trong một tế bào điển hình đông đúc ra sao, như lời của Anthony Hyman, một nhà sinh học tế bào người Anh và là giám đốc Viện Nghiên cứu tế bào phân tử Max Planck tại Dresden.

Ở trong tương tác nhiều loại cytoplasm đông đúc đó, enzym cần phải tìm thấy substrat của chúng, và các phân tử truyền tín hiệu cần phải tìm thấy các receptor của chúng, để tế bào có thể thực hiện công việc phát triển, phân chia và tồn tại. Nếu tế bào là túi nước lộn xộn của cytoplasm được pha trộn đều, việc đó sẽ khó khăn. Nhưng chúng không phải là như vậy. Các tổ chức môi bao bám giúp tổ chức một số nội dung, phân vùng một số vật liệu một cách hữu ích và cung cấp bề mặt giúp quá trình quan trọng, như sản xuất ATP, nhiên liệu sinh học của tế bào. Nhưng, như các nhà khoa học đang chỉ mới bắt đầu đánh giá cao, chúng chỉ là một nguồn của sự tổ chức.

Các thí nghiệm gần đây tiết lộ rằng một số protein tự nhiên tụ tập thành các cấu trúc tạm thời được gọi là tinh thể, phản ứng với lực lượng phân tử cân bằng chính xác giữa sự hình thành và tan rã của giọt trong tế bào. Các tinh thể, thỉnh thoảng được gọi là các môi bào không màng, có thể giữ chặt các protein cụ thể khỏi phần còn lại của cytoplasm, ngăn chặn các phản ứng sinh hóa không mong muốn và tăng cường độ hiệu quả của những phản ứng hữu ích. Những phát hiện này đang thay đổi sự hiểu biết cơ bản của chúng ta về cách tế bào hoạt động.

Ví dụ, tinh thể có thể giải thích tốc độ của nhiều quá trình tế bào. “Điều chính về một tinh thể - nó không giống như một nhà máy; nó giống như một đám đông đột ngột. Bạn bật radio lên và mọi người tụ tập lại, sau đó bạn tắt nó và mọi người biến mất,” Hyman nói.

Vì vậy, cơ chế này là “có thể được điều chỉnh tinh tế,” theo Gary Karpen, một nhà sinh học tế bào tại Đại học California, Berkeley, và Lawrence Berkeley National Laboratory. “Bạn có thể hình thành những thứ này và tan rã chúng một cách dễ dàng bằng cách chỉ cần thay đổi nồng độ các phân tử” hoặc sửa đổi hóa học protein. Sự chính xác này mang lại đòn bẩy cho việc kiểm soát một loạt các hiện tượng khác nhau, bao gồm cả biểu hiện gen.

Gợi ý đầu tiên về cơ chế này xuất hiện vào mùa hè năm 2008, khi Hyman và đồng nghiệp nghiên cứu sau đó Cliff Brangwynne (hiện là một nhà điều tra Viện Y học Howard Hughes tại Đại học Princeton) đang giảng dạy tại khóa học sinh lý học nổi tiếng tại Laboratoire Biologique Marin và nghiên cứu về phát triển phôi của giun tròn C. elegans. Khi họ và sinh viên của họ quan sát thấy rằng nhóm RNA trong trứng giun tinh khiết hình thành giọt có thể tách ra hoặc hợp nhất với nhau, Hyman và Brangwynne giả thuyết rằng những “hạt P” này hình thành thông qua phân tách pha trong cytoplasm, giống như giọt dầu trong một loại sốt.

Đề xuất đó, được xuất bản vào năm 2009 trong Khoa học, không nhận được nhiều sự chú ý vào thời điểm đó. Nhưng thêm nhiều bài báo về phân tách pha trong tế bào xuất hiện vào khoảng năm 2012, bao gồm một thí nghiệm chính trong phòng thí nghiệm của Michael Rosen tại Trung tâm Y học Namwestern tại Đại học Texas ở Dallas, cho thấy rằng các protein truyền tín hiệu tế bào cũng có thể thể hiện hành vi phân tách pha này. Đến năm 2015, dòng chảy của các bài báo đã biến thành một luồng lớn, và từ đó đã có một làn sóng nghiên cứu về tinh thể sinh học, những ngăn tế bào giống như chất lỏng với cả tính đàn hồi và nhớt.

Bây giờ, những nhà sinh học tế bào dường như tìm thấy tinh thể ở mọi nơi mà họ nhìn: trong việc điều chỉnh biểu hiện gen, hình thành cực trục mitosis, lắp ráp ribosome và nhiều quá trình tế bào khác trong nhân và cytoplasm. Những tinh thể này không chỉ mới mẻ mà còn đầy suy nghĩ: ý tưởng rằng chức năng của chúng xuất phát từ hành vi tổng hợp của các phân tử đã trở thành khái niệm trung tâm trong sinh học tinh thể, và nó tương phản mạnh mẽ với hình ảnh cổ điển về các cặp tác nhân sinh hóa và mục tiêu của chúng sắp xếp như khóa và chìa khóa. Các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm hiểu cách thăm dò chức năng của những tính chất tụ hợp này; điều đó sẽ đòi hỏi sự phát triển của các kỹ thuật mới để đo lường và điều chỉnh độ nhớt và các tính chất khác của giọt nhỏ trong tế bào.

Điều Kích Thích Sự Hình Thành Giọt

Khi các nhà sinh học đầu tiên cố gắng giải thích điều gì thúc đẩy hiện tượng phân tách pha đằng sau hiện tượng ngưng tụ trong tế bào sống, cấu trúc của chính protein đã cung cấp một nơi tự nhiên để bắt đầu. Protein được gập lại đúng cách thì thường có sự kết hợp của các axit amin thân nước và thân phobic. Các axit amin thân phobic có xu hướng chôn mình bên trong các gập protein, tránh xa các phân tử nước, trong khi các axit amin thân nước bị hút lên bề mặt. Những axit amin thân phobic và thân nước này quyết định cách protein gập lại và giữ hình dạng của nó.

Nhưng một số chuỗi protein có ít axit amin thân nước, vì vậy chúng không có lý do để gập lại. Thay vào đó, những protein không có tự nhiên (IDPs) này biến đổi hình dạng và tương tác trong nhiều tương tác yếu đa động. Trong nhiều năm, tương tác IDP được cho là là giải thích tốt nhất cho hành vi giọt giống như chất lỏng.

Tuy nhiên, năm ngoái, Brangwynne đã công bố một số bài báo nhấn mạnh rằng IDPs quan trọng, nhưng "lĩnh vực này đã đi quá xa trong việc nhấn mạnh chúng". Hầu hết các protein liên quan đến condensates, ông nói, có kiến trúc chung với một số miền có cấu trúc và một số vùng không có trật tự. Để gieo hạt condensates, các phân tử phải có nhiều tương tác yếu đa động với nhau, và có một cách khác để đạt được điều đó: oligomerization.

Oligomerization xảy ra khi protein kết nối với nhau và tạo thành các tổ chức lớn có các đơn vị lặp lại, gọi là oligomers. Khi nồng độ protein tăng, sự phân tách pha và sự hình thành oligomer cũng tăng. Trong một bài giảng tại cuộc họp Sinh học Tế bào Mỹ vào tháng 12, Brangwynne đã chỉ ra rằng khi nồng độ oligomers tăng, sức mạnh của tương tác của chúng cuối cùng vượt qua rào cản hạt nhân, năng lượng cần thiết để tạo ra một bề mặt tách biệt condensate từ phần còn lại của tế bào. Tại thời điểm đó, protein đang chứa chúng trong một giọt nước.

Trong 5 năm qua, các nhà nghiên cứu đã tiến xa trong việc hiểu cách hành vi tập thể của protein xuất phát từ những lực nhỏ về mặt vật lý và hóa học. Nhưng họ vẫn đang tìm hiểu cách (và liệu) tế bào thực sự sử dụng hiện tượng này để phát triển và chia tách.

Condensates và Biểu hiện Gen

Dường như condensates tham gia vào nhiều khía cạnh của sinh học tế bào, nhưng một lĩnh vực mà đã nhận được sự chú ý đặc biệt là biểu hiện gen và sản xuất protein.

Ribosomes là nhà máy sản xuất protein của tế bào và số lượng chúng trong một tế bào thường giới hạn tốc độ tăng trưởng của nó. Công việc của Brangwynne và những người khác cho thấy rằng các tế bào phát triển nhanh có thể nhận được sự giúp đỡ từ condensate lớn nhất trong nhân: nucleolus. Nucleolus tạo điều kiện cho quá trình transkript hóa nhanh chóng của ribosomal RNAs bằng cách tập hợp tất cả máy móc transkript cần thiết, bao gồm cả enzyme cụ thể (RNA polymerase I) tạo ra chúng.

Một vài năm trước, Brangwynne và nghiên cứu sinh cũ của ông, Stephanie Weber, người hiện là giáo sư trợ giảng tại Đại học McGill ở Montreal, đã nghiên cứu cách kích thước của nucleolus (và do đó tốc độ tổng hợp ribosomal RNA) được kiểm soát trong phôi C. elegans sớm. Bởi vì con giun mẹ đóng góp cùng số lượng protein cho mỗi phôi, phôi nhỏ có nồng độ protein cao và phôi lớn có nồng độ thấp. Và như các nhà nghiên cứu báo cáo trong một bài báo Current Biology năm 2015, kích thước của nucleoli phụ thuộc vào nồng độ: Tế bào nhỏ có nucleoli lớn và tế bào lớn có nucleoli nhỏ.

Brangwynne và Weber phát hiện rằng bằng cách thay đổi kích thước tế bào một cách nhân tạo, họ có thể tăng và giảm nồng độ protein và kích thước của nucleoli kết quả. Trên thực tế, nếu họ giảm nồng độ xuống dưới một ngưỡng quan trọng, không có sự phân tách pha và không có nucleolus. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một mô hình toán học dựa trên vật lý của quá trình hình thành condensate có thể dự đoán chính xác kích thước của nucleoli trong tế bào.

Bây giờ, Weber đang tìm kiếm condensates trong vi khuẩn, có tế bào nhỏ hơn và không có các khu vực bao bọc bởi màng. "Có lẽ đây là cơ chế quan trọng hơn cho việc phân chia không gian, vì họ [vi khuẩn] không có lựa chọn thay thế", cô ấy đề xuất.

Mùa hè năm ngoái, Weber công bố một nghiên cứu cho thấy rằng trong tế bào của vi khuẩn E. coli phát triển chậm, enzyme RNA polymerase được phân phối đồng đều, nhưng trong tế bào phát triển nhanh, nó tập trung thành giọt. Các tế bào phát triển nhanh có thể cần tập trung enzyme polymerase xung quanh gen ribosomal để tổng hợp ribosomal RNA hiệu quả.

"Dường như nó [phân tách pha] xuất hiện trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống, và là một cơ chế chung có thể đã được chuyên biệt thành một loạt các chức năng khác nhau," Weber nói.

Mặc dù Weber và Brangwynne chỉ ra rằng quá trình transkript hoạt động xảy ra trong một condensate lớn, nucleolus, những condensate khác trong nhân lại ngược lại. Một phần lớn của DNA trong nhân được phân loại là heterochromatin vì chúng nén hơn và thông thường không được biểu hiện dưới dạng protein. Năm 2017, Karpen, Amy Strom (hiện là một nghiên cứu sinh sau đại học tại phòng thí nghiệm Brangwynne) và đồng nghiệp của họ đã chỉ ra rằng một protein cụ thể sẽ trải qua sự phân tách pha và tạo giọt trên heterochromatin trong phôi Drosophila. Những giọt nước này có thể hợp nhất với nhau, có thể cung cấp một cơ chế để nén heterochromatin bên trong nhân.

Kết quả cũng đề xuất một giải thích có thể hứng thú cho một bí mật lâu dài. Nhiều năm trước, các nhà di truyền học phát hiện ra rằng nếu họ đặt một gen được biểu hiện tích cực và đặt nó ngay cạnh heterochromatin, gen sẽ bị tắt tiếng, như là tình trạng heterochromatin đang lan rộ. "Hiện tượng này lan rộ là điều mà đã xuất hiện sớm, và không ai thực sự hiểu nó," Karpen nói.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã phát hiện enzyme tham gia vào quy trình điều chỉnh epigenetic gọi là methyltransferases, và họ giả thuyết rằng các methyltransferases sẽ đơn giản đi từ một histone sang histone kế tiếp dọc theo chuỗi DNA từ heterochromatin vào euchromatin kế cận, một loại "cơ chế enzyme, quá trình tiếp tục," Karpen nói. Đây đã là mô hình chi phối để giải thích hiện tượng lan rộ trong 20 năm qua. Nhưng Karpen nghĩ rằng những condensate đặt trên heterochromatin, như hạt nước ẩm trên dây, có thể là sản phẩm của một cơ chế khác có thể giải thích sự lan rộ của tình trạng heterochromatin im lặng. "Đây là những cách suy nghĩ về cơ chế sinh học hoàn toàn khác nhau," ông nói. Ông đang làm việc để kiểm tra giả thuyết này.

Sự Hình Thành của Sợi

Condensates cũng giúp giải quyết một bí mật tế bào khác—không phải trong nhân, mà là dọc theo màng tế bào. Khi một liên kết kết hợp với một protein receptor trên bề mặt tế bào, nó khởi đầu một chuỗi các thay đổi phân tử và chuyển động truyền tín hiệu qua nhiễu cytoplasm. Nhưng để điều đó xảy ra, trước tiên phải có một cái gì đó tụ tập lại tất cả các người chơi phân tán trong cơ chế. Các nhà nghiên cứu hiện nay nghĩ rằng phân tách pha có thể là một thủ thuật tế bào sử dụng để tập trung các phân tử tín hiệu cần thiết tại receptor màng, giải thích bởi Lindsay Case, người được đào tạo trong phòng thí nghiệm Rosen như một nghiên cứu sinh sau đại học và bắt đầu phòng thí nghiệm riêng tại Viện Công nghệ Massachusetts vào tháng này.

Case lưu ý rằng các biến đổi protein thường được sử dụng để truyền tín hiệu, như thêm các nhóm phosphoril, thay đổi độ valency của một protein—nghĩa là khả năng tương tác với các phân tử khác. Các biến đổi do đó cũng ảnh hưởng đến khả năng của protein tạo condensates. “Nếu bạn nghĩ về điều mà một tế bào đang làm, thì thực sự đang điều chỉnh tham số này của độ valency,” Case nói.

Condensates cũng có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và tổ chức quá trình polymerization của các đơn vị monomer nhỏ thành các sợi protein dài. “Bởi vì bạn đang đưa các phân tử lại với nhau trong thời gian dài hơn so với ngoài condensate, điều đó ủng hộ việc polymerization,” Case nói. Trong nghiên cứu sau đại học của cô, cô phát hiện ra rằng condensates tăng cường quá trình polymerization của actin thành các sợi giúp tế bào thận chuyên biệt duy trì hình dạng đặc biệt của chúng.

Phân tách pha đã trở thành điều phổ biến, và các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều ý tưởng về cách hiện tượng này có thể liên quan đến các chức năng của tế bào khác nhau. 'Có nhiều khả năng thú vị mà [phân tách pha] mở ra, đó là điều tôi nghĩ làm cho sự quan tâm vào lĩnh vực này,' Karpen nói. Nhưng anh cũng cảnh báo rằng trong khi việc chứng minh rằng một phân tử trải qua quá trình phân tách pha trong ống thử nghiệm là khá dễ dàng, việc chứng minh rằng phân tách pha có chức năng trong tế bào khá khó khăn. 'Chúng ta vẫn còn biết rất nhiều điều,' anh nói.

Brangwynne đồng tình. 'Nếu bạn thực sự trung thực, toàn bộ lĩnh vực vẫn khá là mơ hồ,' anh nói. 'Điều đó nói lên việc hiện tại là giai đoạn rất sớm để hiểu cách mọi thứ hoạt động. Việc nó mơ hồ không có nghĩa là phân tách pha lỏng không phải là lực đẩy chính. Trên thực tế, tôi nghĩ đó chính là. Nhưng nó hoạt động thực sự như thế nào?'

Những không chắc chắn cũng không làm nản chí Hyman. 'Những gì phân tách pha đang cho phép mọi người làm là quay lại và xem xét những vấn đề cũ mà đang đình trệ và nghĩ: Liệu chúng ta có thể nghĩ về điều này một cách khác không?' anh nói. 'Tất cả những nghiên cứu sinh học cấu trúc đã rất xuất sắc — nhưng nhiều vấn đề đình trệ. Họ thực sự không thể giải thích mọi thứ. Và đó là những gì phân tách pha đã làm, là để mọi người nghĩ lại về những vấn đề này.'

Chuyện gốc được tái bản với sự cho phép của Quanta Magazine, một tờ báo độc lập về biên tập của Quỹ Simons, được thành lập với nhiệm vụ tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách báo cáo về các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và cuộc sống.