Nature子刊：孤儿核糖体蛋白在伴侣分散凝聚体中的适应性保存

想象一下酵母细胞的生活，在厨房里漂浮着孢子，最终落在一碗葡萄上。生活是美好的:几天的食物，至少直到有人注意到腐烂的水果并把它们扔掉。但是，阳光透过窗户照进来，柜台上放着碗的地方被加热了，突然间，不起眼的酵母的生活变得不舒服了。当温度过高时，细胞会停止正常的过程，以度过压力环境，并在另一个凉爽的日子里享用葡萄。

细胞的这种“热休克反应”是生物适应的经典模型，是生命基本过程的一部分，从单细胞酵母到人类都是如此，它使我们的细胞能够适应环境的变化。多年来，科学家们一直致力于研究不同基因对热应激的反应，以了解这种生存技巧。现在，由于先进成像技术的创新应用，芝加哥大学的研究人员前所未有地看到了细胞的内部机制，以了解它们如何对热应激做出反应。

“适应是细胞隐藏的超能力，”芝加哥大学博士后研究员Asif Ali博士说，他专门研究细胞过程的图像。“他们不必一直使用这种超能力，但一旦他们被困在恶劣的环境中，突然之间就没有出路了。”所以，它们把这作为一种生存策略。”

阿里在芝加哥大学分子遗传学和细胞生物学助理教授大卫·平卡斯博士的实验室工作，他们的团队在那里研究细胞如何适应压力和复杂的环境，包括热休克反应。在2023年10月16日发表在《自然细胞生物学》(Nature Cell Biology)杂志上的这项新研究中，他们结合了几种新的成像技术，表明在对热休克的反应中，细胞通过将其保存在液体状凝聚物中来保护其孤儿核糖体蛋白(生长的关键蛋白，当正常细胞加工停止时极易聚集)。

一旦热休克消退，这些凝聚物在分子伴侣蛋白的帮助下分散开来，促进了孤立蛋白与功能成熟的核糖体的整合，核糖体可以再次开始大量生产蛋白质。这种核糖体生产的快速重启使细胞能够在不浪费能量的情况下重新开始。该研究还表明，无法保持这些冷凝物的液态的细胞不会很快恢复，当它们试图复制失去的蛋白质时，会落后十代。

Pincus说:“Asif开发了一种全新的细胞生物学技术，让我们第一次实时地看到细胞中孤立的核糖体蛋白。”“就像许多创新一样，技术上的突破使我们能够看到一种全新的生物学，这种生物学以前对我们来说是不可见的，但一直存在于我们研究多年的细胞中。”

松散附着的生物分子黏液

核糖体是所有细胞细胞质中至关重要的机器，它读取信使RNA上的遗传指令，并构建折叠成蛋白质的氨基酸链。制造核糖体来完成这一过程需要大量的能量，所以在热休克这样的压力条件下，细胞首先会关闭核糖体来保存能量。然而，在任何时候，细胞内新合成的蛋白质中有50%是尚未完全翻译的核糖体蛋白质。一个细胞每分钟可以产生多达一百万个核糖体蛋白，所以如果核糖体的生产停止，这数百万个蛋白质就会无人看管地漂浮在周围，容易聚集在一起或折叠不当，这可能会导致问题的出现。

阿里和平卡斯并没有关注基因在热休克时的行为，而是想研究细胞内部的机制，看看这些“孤儿”核糖体蛋白发生了什么。为此，阿里求助于一种新的显微镜工具，称为晶格光片4D成像，它使用多片激光来创建活细胞内部组件的全维图像。

由于他想把重点放在热休克过程中孤儿蛋白的变化上，阿里还使用了一种被称为“脉冲标记”的经典技术，并进行了现代改造:一种被称为“HaloTag”的特殊染料来标记新合成的孤儿蛋白。通常，当科学家想要追踪细胞内蛋白质的活动时，他们会使用绿色荧光蛋白(GFP)标签，这种标签在显微镜下会发出亮绿色的光。但由于细胞中有如此多的成熟核糖体蛋白，使用gfp只会照亮整个细胞。相反，HaloTag染料的脉冲标记允许研究人员只点亮新产生的核糖体，而使成熟的核糖体保持黑暗。

利用这些组合成像工具，研究人员发现，孤立的蛋白质被收集到核仁附近的液体状物质液滴中(平卡斯使用了科学术语“松散附着的生物分子粘稠物”)。这些斑点伴随着分子伴侣，这些蛋白质通常通过帮助折叠新蛋白质来辅助核糖体的生产过程。在这种情况下，伴侣似乎在“搅拌”收集到的蛋白质，使它们保持液态，防止它们聚集在一起。

平卡斯说，这一发现很有趣，因为许多人类疾病，如癌症和神经退行性疾病，都与错误折叠或聚集的蛋白质团块有关。一旦蛋白质缠绕在一起，它们也会保持这种状态，所以这种“搅拌”机制似乎是另一种适应。

Pincus说道:“我认为对于细胞健康和疾病的一个非常合理的定义是，如果物质是液体并且四处移动，那么你就处于健康状态，一旦物质开始堵塞并形成这些聚集物，那就是病理学。”“我们真的认为，我们正在发现可能与临床相关的基本机制，或者至少是许多人类疾病的机制核心。”

在原子尺度上发现结构

在未来，阿里希望采用另一种成像技术，称为低温电子断层扫描，这是一种应用程序，使用电子显微镜，同时将细胞样本冷冻，以原子级别的分辨率捕获其内部成分的图像。这项技术的另一个优点是，它允许研究人员捕捉细胞内部的3D图像，而不是分离和准备成像的蛋白质。

利用这个新工具，研究人员想要观察蛋白质凝聚物的内部，看看它们是否以一种有助于它们在热休克消退后容易分散和恢复活动的方式组织起来。

Pincus说道:“我必须相信它们并不是混杂在一起的。“我们希望看到的是，在看起来杂乱无章的混乱中，会有一些结构和秩序，帮助它们如此迅速地重新生长。”