"발견하고 처음에 사람들이 옳을 수 없다고 말한 다음 결국‘우리는 그다지 알고 있다는 것을 알았습니다.’라고 말하면 전환합니다. Clifford Brangwynne의 마음에 갇힌 것은 quip입니다. 프린스턴 대학교의 생물 물리학 자에게는 이것이“세포 내 액체 단계에 대한 우리의 연구 결과에서 정확히 일어난 일”입니다.
.실제로 혼합되지 않고 특정 상황에서는 용암 램프의 교대 방광과 같이 클러스터와 분리 된 특성이 다른 액체를 생각해보십시오. 액체-액체 상 분리로도 알려진이 현상은 한때 독점적으로 화학적 과정으로 간주되었다. 그러나 10 년 전, Brangwynne은 세포 내부에서 일어나는 것을 처음으로 관찰 한 사람 중 하나가되었으며 그 이후로 생물 학자들은 그 중요성을 배우려고 노력해 왔습니다.
.이제 과학자들은 진화가 특정 단백질이 액체처럼 집계로 작용하도록 조정했다는 것을 이해하기 시작했습니다. 위상 분리를 통해, 그들은 세포에서 필요한 작업을 수행 할 수있는 동적, 막이없고, 액적과 같은 구조로 자발적으로 자체 조립됩니다.
.독일 Dresden에있는 Max Planck 세포 생물학 및 유전학 연구소 (MPICBG)의 생물 학자 인 Simon Alberti는“어쨌든, 이런 종류의 분자 능력이 기능을 달성하거나 기능을 조절하기 위해 진화에 의해 활용 될 수 있다고 생각하지 않았다. "집단은 아니라 개별 분자에 중점을 두었습니다."
Dresden에있는 Max Planck의 물리학 연구소의 생물 물리학자인 Vasily Zaburdaev는 세포 조직과 기능에 대한 우리의 이해에 큰 영향을 미쳤다고 말했다. 최신 발견 중 하나는 상 분리가 특정 유형의 세포가 영양분을 박탈 당하거나 스트레스를받을 때 사망을 속일 수 있다는 것입니다. 위상 분리는 세포의 대부분을 액체에서 고체로 돌릴 수있게합니다. 영양소가 돌아올 때까지 본질적으로 정체 상태에 빠지게됩니다.
.막이없는 소기관
19 세기 세포 생물 학자들은 세포 내부에서 보았던 작은 구성 요소를 설명하기 위해 소기관 (라틴어로“작은 기관”)이라는 용어를 만들었습니다. 그럼에도 불구하고, 미국 세포 생물 학자 에드먼드 비처 윌슨 (Edmund Beecher Wilson)과 같은 현장의 개척자들은 젤리 같은 세포질 충전 세포가“매달린 방울처럼… 다른 화학적 특성의”다양한 액체를 담을 수 있다고 의심했다. 그러나 그 초기 통찰력은 거의 1 세기 동안 생물학에서 구매가 거의 발견되지 않았지만 연구자들은 단순히 방울 형 셀룰러 소기관이 내용물이 세포질로 리믹스되는 것을 방지하기 위해 캡슐화 지질 막이 있어야한다고 가정했습니다.
.그럼에도 불구하고 1960 년대와 1970 년대 초 국립 환경 보건 과학 연구소의 캘리포니아 대학교 L. Dennis Smith 및 Edward Mitchell Eddy와 같은 연구원들의 전자 현미경은 일부 오르간 주변은 단순히 막을 가지고 있지 않은 것으로 나타났습니다. 세포 핵의 조밀 한 구조 인 핵종과 같은 더 많은 막이없는 구조가 계속 발견되었다. 그러나 2009 년까지, 그들이 어떻게 그리고 왜 그들이 형성했는지는 분명하지 않았습니다.
그해 Brangwynne이 MPICBG의 젊은 박사후 사후에 있었을 때, 그의 동료 인 Christian Eckmann과 그의 감독관 인 Tony Hyman은 예상치 못한 것을 보았습니다. 그들은 Roundworm caenorhabditis el . P 과립은 RNA 및 단백질의 밀도가 높은 펠릿으로 널리 가정되었다. 그러나 Brangwynne, Eckmann 및 Hyman은 과립이 전혀 견고하지 않은 것을 보았습니다. 대신, 그들은 잘 흔들리는 비네 그레트의 기름처럼 더 큰 방울을 형성하기 위해 때때로 합쳐지고있는 액체의 액 적으로 보였습니다.
Brangwynne은“이것은 세렌디 한 발견이었습니다. "우리가 그들이 액체임을 알게되었을 때, 우리가 취한 다수의 정량적 측정은 갑자기 완벽하게 이해되었습니다." 또한 세포의 작동 방식에 대한 생물 학자의 이해를 바꿨습니다.
Brangwynne, Eckmann 및 Hyman의 초기 연구는 다양한 조건 하에서 다양한 세포질 단백질의 조립 및 분산을 조사하는 논문의 눈사태를 유발했습니다. 증거는 세포가 상 분리를 통해 그들의 내부 구조와 프로세스를 구성하기위한 미세 조정 된 메커니즘을 발전 시켰다는 증거가 강해졌다.
달라스에있는 텍사스 텍사스 남서부 의료 센터 대학의 구조 생물 학자이자 생물 물리학과 의장 인 마이클 로젠 (Michael Rosen)은 실험실에서 이러한 종류의 상 분리를 처음으로 방출 할 수있는 특정 단백질과 RNA 분자를 최초로 재생산했습니다. 위상 분리는 단백질이 조건이 옳을 때 다시 정렬하고 다시 분리하는 가역적 인 방법을 제공하는 것처럼 보였습니다.
그러나 일부 경우, 연구자들은 과정이 가역적이지 않다는 것을 배우고 있으며,이 실패는 신경 퇴행성 장애 및 암을 포함한 광범위한 질병과 관련된 단백질의 오작동을 나타냅니다. 예를 들어, Zaburdaev는 특정 질병과 관련된 몇 가지 돌연변이 체 형태의 단백질이 비정상적인 상 분리 거동을 나타냈다는 것을 관찰했다. "멋진 방울을 형성하는 대신, 그들은 매우 이상한 고슴도치 구조를 형성합니다."
생존을위한 고화
흥미로운 Zaburdaev와 Alberti를 포함한 그의 몇몇 동료들은 세포에 온도가 떨어지는 스트레스와 갑작스런 영양소가 사라질 때 단백질에 어떤 일이 발생하는지 확인하기로 결정했습니다. 그들이 발견 한 놀라운 결과는 위상 분리가 세포 생존 메커니즘의 일부가 될 수 있다는 것입니다.
세포의 행동은 곰의 동면에 비유 될 수 있습니다. 동물은 여전히 몇 주 동안 휴면 상태에 있으며 에너지 지출을 최소화합니다. 세포 수준에서, 상 분리는 젤라틴 성 세포질이보다 단단한 것으로 보호 전이를하는 데 도움이된다. Zaburdaev는“이 '굳은'상태에서 세포는 기아에서 살아남을 수 있습니다.
연구원들은 효모와 영양소의 아메바를 박탈 하여이 현상을 연구했습니다. 영양소는 에너지가 없음을 의미하며 효모 세포는 세포질에서 양성자를 펌핑하기 위해 에너지가 필요합니다. 생화학에 필수적인 중성 pH를 유지합니다. Zaburdaev는“굶주림으로 세포가 산성화되었습니다. 보다 산성적인 조건 하에서, 단백질은 용해 된 상태에서 더 응축 된 상태로 쉽게 갔고, 잘 혼합 된 세포질은 젤라틴 블로브의 클러스터로 분리된다.
.단순히 세포 환경의 산도를 변경함으로써 과학자들은 세포의 영양소를 제거하지 않고도이 생존 상태로 전환하도록 유도 할 수 있습니다. 세포는 몇 시간 또는 며칠 동안 이런 식으로 휴식을 취할 수 있습니다. Alberti는“우리는 세포가 너무 견고하여 변형 가능하지 않고 모양을 유지한다”고 말했다. 그들은“완전히 다른 재료 상태로 전환됩니다.”
Zaburdaev는 그들의 정상적인 pH가 나중에 회복되었을 때 세포는 정상으로 돌아와서“행복하게 나누고 살고있다”고 말했다.
과학자들은 삼투를 통해 효모를 완전히 탈수함으로써 위상 분리와 고정화를 유발할 수 있음을 발견했습니다. 그러나 다른 유형의 응력은 약간 다른 고체 상태를 유도하는 것으로 보입니다. Alberti는 정확히 어떻게 작동하는지 "아직 이해하지 못하는 것"이라고 말했다.
그럼에도 불구하고, 실험이 밝혀진 생존 메커니즘은 매우 간단하다고 말했다. Alberti는 스트레스가있을 때 광범위한 상 분리가 전체 세포질의 강성으로 이어지고, 세포는 겨울 동안 정착 한 동면 곰처럼 신진 대사를 끄는다.
.최대 절전 모드 비교는 비 유적보다 더 많을 수 있습니다. Alberti는“최대 절전 모드의 세포도 내부에서 굳어 질 수 있습니다. “이는 응고가 무료로 제공되기 때문에 이러한 종류의 환경 변화를 다루는 완벽한 방법입니다. 에너지는 온도 변화 또는 pH 감소에서 나옵니다.” 그러나 위상 분리가 관련되어 있다는 가설은 여전히 테스트되어야한다고 그는 말했다.
대사 조절을위한 고정화
가장 최근에 Alberti의 팀은 분자 수준에서 스트레스를 위해 세포질 단백질의 상 분리 반응을 조사해 왔습니다. 그들의 특별한 관심은 그것이 세포 대사에 대한 제어와 관련된 방법에있다.
Alberti는 무언가를 끄는 완벽한 방법은 다시 필요할 때까지 가역적으로 고정 할 수있는 견고한 재료에 넣는 것이라고 말했다. "이것은 분자를 손상으로부터 보호하고 나중에 사용하기 위해 저장하는 분자를 보호하는 방법입니다."
.팀은 단백질에 특정 식별 가능한 도메인 또는 영역이 있으면 단백질이 쉽게 가역적 인 겔을 형성한다는 것을 발견했습니다. 이 도메인이없는 경우, 단백질은 돌이킬 수없는 유형의 어셈블리를 형성합니다.
사실상,이 도메인은 단백질의 위상 거동을 수정하고 재사용 가능합니다. Alberti는“이 도메인은 새로운 가능성을 제공합니다. 그 단백질은 양성 종류의 겔로 조립하고 돌아올 수없는 것이 아니라 새로운 가능성을 제공합니다.
한 번의 시험 튜브 실험에서, 연구원들은 단일 유형의 단백질을 함유 한 솔루션을 가져 와서 pH를 낮췄다. 그들은 용액으로부터 단백질의 분자가 상피를 보았고 겔 유사 얼룩을 형성하는 것을 보았다. 그런 다음 그들은 pH를 중립으로 가져와 젤을 녹여“세포에서 본 것을 정확하게 보여줍니다.”라고 Alberti는 말했습니다.
이러한 결과는 자연이 단백질의 재료 특성을 조정하기 위해 도메인 서열을 설계했음을 의미합니다. 메인 주 바 하버 (Bar Harbor)에있는 MDI 생물학적 실험실의 생물 학자 인 더스틴 updike는“이는 매우 유익하다고 Maine의 Bar Harbor에있는 생물학자인 Dustin Updike는“열 충격, pH 또는 삼투 스트레스와 같은 갑작스러운 스트레스에 반응하는 메커니즘”을 제공하기 때문입니다. 세포의 조절 메커니즘은 종종 유전자 수준에서 작용하며, 이는 핵에 도달하는 신호, 유전자 전사를 시작하고 적절한 효소의 제조에 의존한다고 설명했다. 그러나 그 사건들은 시간이 걸립니다. 대조적으로, 위상 분리는 매우 빠르며 스트레스에 대한 거의 즉각적인 반응을 제공 할 수 있습니다.
정말로 중요합니까?
Zaburdaev에 따르면 세포에서의 상 분리의 정확한 메커니즘과 상 분리의 정확한 메커니즘과 상 분리의 효과를 이해하는 것은 전체 범위의 큰 생물학적 도전과 관련이있을 수 있습니다.
예를 들어, 예를 들어, Yale University의 신경 과학자 Pietro de Camilli와 그의 동료들은 시냅스에서 신경 전달 물질의 통제 된 방출에 상 분리가 관여 할 수 있다는 증거를 발견했습니다. 신경 전달 물질을 함유하는 소포는 시냅스 전 막 근처의 클러스터가 필요할 때까지 일상적으로 호버링되는 것으로 관찰되었다. De Camilli의 팀은 Synapsin 1이라는 스캐 폴딩 단백질이 다른 단백질과 함께 액체를 이들 클러스터에 결합시키기 위해 액체 상으로 응축 함을 보여 주었다. 시냅스가 인산화되면, 액적이 빠르게 사라지고 소포가 해제되어 신경 전달 물질을 시냅스에 쏟아냅니다.
그래도 아직 초기입니다. Brangwynne과 그의 동료들이 10 년 전에 논문을 출판했을 때, 생물 학자들은 완전히 놀라운 연구 방향에 대한 놀라운 일이나 희망에 반응했습니다. Updike가 지적했듯이, 세포 생물 학자들은 단백질 응집 측면에서 현상에 대한 생각에서 더 복잡한 액체 상 분리 문제에 이르기까지 어려울 수 있으며, 이는 유체 역학을 설명하기 위해 유체 역학이 필요합니다.
Updike는“Cliff의 작품은 P 과립의 본질과 우리가보고있는 것을 더 잘 묘사 한 큰 발전이었습니다. "과립을 정화 할 수는 있지만 오일 액적과 더 유사한 것을 정화하는 것은 훨씬 더 어려운 일입니다."
.Updike와 Brangwynne에 따르면 더 많은 과학 논문이 상 분리의 개념을 세포 메커니즘으로 뒷받침하는 것처럼, 회의론자의 수는 계속 떨어지고있다. 그래도 질문은 여전히 남아 있습니다.
Alberti는“비판 중 하나는 어떤 사람들은 모든 단백질이이를 수행 할 수 있다고 말하는 것입니다. 과학에 대한 일반적인 지식은 다양한 조건 하에서 단백질을 집중 시키면 때때로 단백질을 확고하거나 액화시킬 수 있습니다. "그러나 이것이 실제로 세포에 의해 사용될 수 있다는 생각은 없었으며, 진화는 실제로 바이오 분자 의이 능력을 작용하고 사용하여 하향 조절 대사와 같은 기능적 변화를 달성 할 것입니다."
.독일 신경 퇴행성 질환 (DZNE) 센터의 생물 학자 인 Susan Wegmann은 다음과 같이 말했습니다 :“지금까지 단백질의 상 분리는 실제로 살아있는 다세포 유기체에서 발생하는 것으로 나타났습니다.” 따라서 세포에서 신경 과학 및 기타 영역에서 복잡한 문제와의 상 분리의 관련성은 불확실하다. “우리와 다른 사람들은 그 링크를 만들려고 노력하고 있지만 물론 매우 어렵고 기술적으로 도전적입니다. 그리고 단백질 축합이 신경 퇴행과 같은 인간 질병과 관련이 있다는 것이 밝혀지면, 우리는 그것과 특정한 방식으로 방해하는 현명한 방법을 찾아야합니다.”
.하버드 의과 대학의 시스템 생물학 교수 인 Tim Mitchison은 위상 분리가 생물학에서 일반적으로 중요한 개념인지에 대해 회의적입니다. "나는 스트레스 과립과 같은 몇 가지 구체적인 예를 제외하고 세포의 세포질에서 상 분리에 대한 증거는 많이 보지 못했다"고 그는 말했다. 이 개념은 Cell Biology 이외의 관객을 발견하지 못한 것 같습니다. 많은 연구자들은 아직 위상 분리에 대해 들어 보지 못했거나 연구를 무시하고 있습니다.
.Mitchison은“아마도 더 많은 기능적 증거가있을 때까지 기다리고있을 것입니다. 그는 충분한 오른쪽 용매로 거의 모든 단백질 또는 RNA가 상 분리되도록 만들어 질 수 있다고 언급했다. “그러나 이것이 생리 학적으로 얼마나 많은지 확실하지 않습니다. 나는 상 분리가 특히 RNA- 단백질 생물학에서 아마도 전적으로 확신합니다.”라고 그는 말했습니다. "얼마나 일반적인지는 분명하지 않습니다."
Brangwynne은 그 예약에 의해 교란되지 않은 것 같습니다. 그는 일부 회의론자들이“이 모든 것이 세포 기능과 기능 장애의 의미에 대해 매우 유효한 질문을하고 있다고 생각합니다. 다른 사람들은 여전히 예측 정량적 모델에 대한 아이디어를 따뜻하게 해줄 수 있다고 그는 말했다.“그러나 그것은 생물학의 미래입니다.”
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