撰文 | Buds責編 | 兮

細胞功能依靠胞內成千上萬種分子的相互作用實現，而這些分子必須在時空上精密的協調配合。不過，蛋白分子的摺疊會隨溫度發生改變，分子的移動擴散也可以因溫度而變化，進而影響分子間相互作用的反應速率。然而，我們從未看到細胞功能被環境溫度變化擾亂。溫血生物可以在寬泛的環境溫度下正常生長，真核單細胞出芽酵母耐受的溫度差也可以達到至少30℃。那麼，細胞是如何響應溫度變化、保證胞內分子互作正常進行、維持細胞內穩態的呢？

1974年，Sinensky等的開創性工作發現，細胞透過調整細胞膜中脂質含量調控細胞膜的黏性，以使細胞膜在不同溫度下維持合適的流動性。可是，細胞質對溫度刺激的穩態調節機制是怎樣的呢？近日，美國斯坦福大學Onn Brandman在Cell發表文章Cellular Control of Viscosity Counters Changes in Temperature and Energy Availability，指出細胞質也有一套機制可以使其在不同溫度下維持黏性恆定。這種胞質黏性的調節是細胞應對不同溫度或急性環境刺激，維持穩態的重要手段。

為了研究細胞質內環境的穩態調節機制，作者建立了一套簡便巧妙的試驗體系。首先，作者選擇出芽酵母這種單細胞真核生物作為研究模型，以活細胞和細胞提取物分別模擬體內、體外兩種試驗條件。其次，作者利用了一系列生物物理學的實驗方法測定細胞內黏度和生化反應速率等指標。比如，利用熒光漂白恢復試驗FRAP（Fluorescence recovery after photobleaching）觀察淬滅區域熒光重新恢復的時間，用以代表熒光分子的擴散速率，並指徵細胞質內的黏度；利用細胞內共表達BirA酶和Avi標籤標記的誘餌蛋白，新增底物生物素後，BirA酶可以催化生物素新增到誘餌蛋白的Avi標籤上，然後在含有親和素的膠中進行凝膠電泳，透過大分子量遷移條帶的灰度指徵反應速率。此外，作者巧妙地設計了熱刺激、低葡萄糖或飢餓等環境刺激，細緻分析了瞬時或適應後分子擴散或反應的情況。值得注意的是，作者還將細胞質黏度與近期的熱點研究領域“相分離”自然聯絡在一起，發現細胞維持胞內穩態、調節胞質黏度的過程也是一個影響“相分離”的過程。

基於這套簡便巧妙的試驗體系，作者首先比較了活細胞和細胞提取物中分子反應的速率和擴散係數，發現體外細胞提取物中分子擴散係數會隨溫度升高而加快，而活細胞中分子擴散係數沒有變化。於是，作者推測：活細胞內可能存在某種物質可以提高胞質的黏度，調節胞質內分子擴散速率。接下來，作者利用蛋白合成抑制劑CHX排除了這種物質是蛋白質的可能性，同時發現糖原和海藻糖參與了胞質內黏度的調節。隨後，作者利用糖原、海藻糖合成酶缺失或藥物阻斷的方法，證實了糖原和海藻糖響應環境刺激、調節胞質內黏度的充要性。而且，糖原和海藻糖對溶液特點的影響相對獨立又相互互補。只有糖原的溶液不會發生相變，但是會影響溶液中分子的分佈；只有海藻糖的溶液會發生海藻糖濃度依賴性的“液-固”相轉變。而同時含糖原和海藻糖的溶液介於兩者之間，維持一種膠樣的、有延展性的穩態。最後，作者藉助基於熒光共振能量轉移技術FRET的ATP感測器，進一步揭示熱刺激、營養耗竭這些導致細胞啟動黏度調節的環境刺激，或許都屬於與低ATP水平相關的訊號。至此，作者闡明瞭一種胞質穩態維持的新機制，即：低ATP水平相關的環境刺激，包括熱休克刺激、飢餓等影響了胞質內環境，為了維持胞質內環境穩態，細胞啟動黏度調節機制，合成糖原和海藻糖，透過改變胞質內黏度，影響固液相變和溶液流動性，維持胞質內反應速率的恆定。

然而，作者的試驗結果均來自出芽酵母這一單細胞生物，而海藻糖僅由非恆溫物種產生。對於哺乳動物或人體細胞調節黏性的具體機制，是否也利用了糖原，其具體機制還有待未來進一步解析。但不難確定，文中對生物物理試驗技術的運用和對穩態維持過程中“相變”的分析，都值得借鑑。

原文連結https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.017

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