细胞如何知道什么样的细胞应该是?

这不是你得到什么,而是你如何使用它。这似乎尽可能多的细胞应用于人。我们从一个胚胎,血统复制细胞从多功能干细胞状态,最终自组装与专业组织的功能。这个专业并不取决于基因的细胞,但在激活,在正确的时间正确的基因才会安静下来。机械,基因转化为蛋白质如何知道哪一部分的任何细胞类型的基因阅读吗?‘对我来说,是生物学中最基本的问题之一,“生物化学家罗伯特Tjian说在美国加州大学伯克利分校:“细胞如何知道应该是什么?”

二十年从人类基因组计划的完成,很明显,我们不会像我们这样的理解复杂的有机体,有医疗福利——从基因和其他组件的列表,引导细胞的行为。“我们现在有了一个相当完整的细胞的基因和分子目录组件,”Clifford Brangwynne说,美国新泽西州普林斯顿大学的生物物理学家。”,然而我们似乎仍远未理解的原则,造成他们的集体组织。”

打开和关闭的基因,被称为基因调控,是这个组织的最重要的一个方面。喜欢的一切生物,很复杂。但在过去十年或二十年这个过程变得清晰,挑战我们的逻辑思考的生活自从DNA分子信息透露银行近70年前。

对基因调控并不是一个简单的问题,数字传输的信息依赖链锁钥编程生物分子的识别和绑定。相反,它似乎涉及到一些更集体在分子尺度上的动态。监管是实现不是通过选择性分子握手但从简短的谈话在一个熙熙攘攘的人群不同的分子,聚集成一个松散的集群在基因本身。

这是如何发生的仍在讨论。分子群的一个观点是,是由集体召集物理相变。像的分离油醋沙拉酱左站,在活细胞导致相分离蛋白质和其他分子的小斑点的出现,这集中开关基因所需的组件。

其他人说,调节基因的分子集体比油滴短暂和不稳定。这些新想法在十字路口建立的两个领域:即聚合物相变的物理和生物学的基因调控的生物医学工程师说罗希特•帕普圣路易斯华盛顿大学的我们。它会花点时间弄清楚他们是如何组合在一起。

一个复杂的拼图

许多早期的研究在细菌基因调控的分子机制。这里的过程似乎相当透明的和直观的。毗邻短链DNA的基因称为启动子,这就像“开始”信号转录的分子机制,结合DNA和RNA转录产生,相应的蛋白质。启动子是“像一个句子的开始”,Tjian说。细菌推广者倾向于坐非常接近各自的基因,也许只有100碱基对左右分开。所以转录机械可以追踪沿着DNA链找到会告诉它的信号是否去上班。

但在像我们这样的真核生物的细胞,更复杂。首先,监管机制是难以置信的复杂,组成Tjian说也许60 - 100——主要是一个类称为转录因子的蛋白质(TFs),在事情发生之前进行交互。如何让所有这些作品在一起吗?“Tjian问道。“和他们如何工作?”

以及启动子,哺乳动物基因是由DNA控制段,称为增强剂。有些蛋白质绑定到子站点,结合剂,和他们交流。这正是事情变得奇怪,因为增强剂可以从启动子坐英里之外,“说Tjian——意义,也许,数以百万计的碱基对,也许整个基因之间或两个。和沿着DNA转录机械不能跟踪,直到达到增强剂,因为跟踪被阻塞。在真核生物中,几乎所有的基因组,在任何时候,包装被缠绕在盘状蛋白质被称为组蛋白。Tjian说,这些“就像大石块在跑道上”:你不能轻易获得。

更重要的是,在真核细胞基因调控取决于DNA和蛋白质的合成(称为染色质)物理打包在细胞核内。基因藏在一个折叠起来的太阳的染色质转录机械无法进入,因此不活跃。一些基因活化需要遥远的染色质区域走到一起——例如,将一个增强器各自的基因附近。研究人员推测,这涉及到循环膨胀从密集的染色质链,就像拉一个循环的羊毛球,也许与转录因子作为桥梁。”即使在40年的研究这个东西,我不认为我们有一个清晰的想法如何循环发生,“Tjian说。

直到最近,一般的想法是,助教和其他组件组合在一起变成一种拼图,通过分子识别,将桥和绑定一个循环而发生了转录。我们分子生物学家爱画漂亮的模型方案的TFs找到他们的目标基因和增强剂如何调节启动子位于数以百万计的碱基对,”拉尔夫说Stadhouders鹿特丹伊拉斯姆斯大学医学中心的荷兰。但这是如何实现及时和高度特定的方式仍然是一个谜。”

这样一个复杂的组装蛋白质和DNA也许应该一个小时左右。但在2014年Tjian和他的同事们吓了一跳,当他们看了多久的组件绑定到另一个——他们的“停留时间”。¹

这些蛋白质的居住时间在活的有机体内不是几分钟或几小时,但大约6秒!”,他说。“我非常震惊,我花了几个月才面对我自己的数据。一个低浓度蛋白质怎么可能与所有合作伙伴一起来触发的一个基因的表达,当一切都在这个难以置信的快速移动?”

也有别的令人费解。在1980年代早期Tjian集团开展的第一个特遣部队的结构的研究,发现它有一个经典的DNA结合域基于称为锌指结构图案。但也有这极大的大块软盘蛋白质,Tjian说“我徒劳地试图使具体化了10年。它不会因为这部分蛋白质结晶是固有的非晶:它现在被认为是一个内在无序领域,已被证明是许多调控蛋白的共同特征(和其他人)。这些软盘区域不要拍成一个整齐配件接口:的相互作用非常弱,因此这些蛋白质协会的典型的生命周期更短的DNA结合。更重要的是,缺乏明确的结构意味着绑定,而不加选择的——这里没有锁钥精度。

简而言之,这种关联的组件似乎团结的关键基因,调节转录启动子和增强剂是一个不断变化的不合身的部分。然而,不知怎么的,它能有效的解决细胞可靠地进入一个定义明确的状态。

相分离

这怎么可能?这就是液体水滴或冷凝物的概念,有时也被称为——进来。这个想法是,与其形成一个结构化的组装,所有这些蛋白质和少量的DNA循环聚集成一团液体在一个单独的阶段从周围的细胞质,高浓度的助教。³然后,蛋白质可以反复结合和解放和DNA,但仍在附近而不是扩散。他们的工作将被一个合作事件牵涉到很多重复绑定事件,更像一个委员会通过对话达成的决定,即使他们可能永远不会管理所有坐下来在同一时间在同一个房间里。

2002年前后,细胞生物学家弗兰克Grosveld和Wouter de Laat伊拉斯谟大学提出了“染色质中心”的概念,Stadhouders说的活性基因和监管元素将在3 d空间聚集在一起(在细胞核)以确保健壮和高效转录监管”。²

的液-液分离阶段提供了一个机制来构建这样的中心,“Stadhouders说。”这样的冷凝物提供了一个非常直观和简单的机制,使组件需要一起有效地工作以满足并保持在一定的位置足够多的时间,或者招募后再离开。”,而不必依赖于极不可能偶遇的所有正确的分子,他们的化学性质使他们容易凝结成一团,就像油(疏水性)分子将集群在水里。

人们推测,冷凝物是由弱相互作用的疏水性或静电性质,“Stadhouders说。内在无序区域的蛋白质可能是至关重要的:他们可以充当粘性的补丁,为弱,但多个交互提供一个另一个blob绑定在一起。说这都是美妙的理论上,Stadhouders,“还有一些实验证据来支持它,但它仍然可以比科学事实炒作。”

Brangwynne表示同意。的物理图像,提出保持简短,在某种程度上,他们经过实验证明,有很少或没有数据。”他说,一个问题是,细胞的异质性和复杂性使它具有挑战性的发展理论模型的假定的液体滴在一个可以简单的液体混合物。在细胞的“相空间”的复杂性是非常比任何非生物系统熟悉软物质和高分子物理,”他说。

液滴的困难

Tjian并不相信基因调控涉及到真正的液体滴。图片“非常有吸引力”,他说,因为它可能是答案的问题如何得到一个低浓度蛋白质局部高浓度在基因激活。当这个想法第一次,我很感兴趣。“但那是在他开始测量的实际动力学组件。我不能调和快速运动和free-diffusing TFs冷凝模型的行为,”他说。“这是行不通的。”

虽然滴看到这些调控蛋白的体外研究中,Tjian认为这并不能反映体内生理条件——浓度往往过高,或盐浓度不同。更重要的是,在真实的细胞蛋白质并不孤立,但与数以百计的人混在一起。

如果冷凝物一样稳定的每个人提出,如何调节呢?

水滴也出现在细胞。但Tjian认为这是只有当蛋白质生产的数量远远大于在正常健康的细胞。这个问题仍在辩论。例如,帕普和他的同事们报告的形成冷凝物的调节蛋白在植物细胞在正常体内的表达水平。⁴然而,当Tjian是伯克利的同事Xavier Darzacq使用基因编辑工具来优化蛋白质生产的数量,Tjian说“超量产生蛋白质总是形成小水滴,但很少人做过的。⁵如果这样的超量产生细胞被允许种植生长,这些显示液滴将无法这样做,将迅速消失。

“这表明我们,形成水滴不是一件好事,”Tjian说。这是强调细胞。”他认为依靠热力学稳定的液滴的形成将是一个糟糕的策略不管怎样诱导快速事件显然参与了基因调控。如果冷凝物一样稳定的每个人提出,问题是你怎么调节呢?”他问道。真核生物的原因监管需要这个非常有活力和不稳定的情况,因为您需要打开和关闭的事情速度非常快。但是如果你有一个内在热力学稳定的情况下,你就完蛋了——你不能把它关掉。”

尽管如此,把注意力集中到正在发生的事情分子转录因子需要的地方。Tjian Darzacq认为高的局部浓度调控分子可产生瞬态和动态的方式,他们称之为中心而不是滴。Darzacq和他的同事最近在详细探讨这将如何工作的转录因子称为Bicoid和塞尔达在很早就开始发展果蝇胚胎。⁷塞尔达是一个所谓的“先锋”特遣部队新兵其他TFs结合染色质和激活基因。除了dna结合蛋白,蛋白质由无序的序列。

研究人员使用光学显微镜跟踪单个荧光标记的蛋白质分子的轨迹的胚胎。他们发现,当开关处于胚胎状态引起这些TFs需要几分钟,塞尔达和Bicoid绑定到染色质分离前只有几秒钟。这些蛋白质似乎形成中心不断变化的大小和形状,就像一群蜜蜂蜂房的嗡嗡作响。中心作为一个焦点集中其他蛋白质,这样他们做简短但重复接触DNA,以某种方式共同触发的开关基因活性和细胞状态。

帕普认为这里比似乎可能会有更少的分歧。”在很大程度上对液体和冷凝物的错误名称作为简单的液体产生了一些困惑,”他说。这些冷凝当然不会像散装液体由传统的简单的混合物相分离——他们会,比如,持续数之间的相互作用,可能很多,不同类型的分子,以动态的方式进行交互。的一种更恰当的方式思考成分是关联聚合物,支离破碎的胶体,或两者的嵌合体,”帕普说。

他认为冷凝物的形成或中心——你怎么称呼他们——可能是由蛋白质“stickers-and-spacers”架构,组成的单位,通过弱粘在一起,非共价债券,隔开间隔调整的单位,这些交互的协同。⁸因此蛋白质进化与不负责(如传统的酶)在高度选择性相互作用与给定的目标,但在大量的低选择性的——一个完全不同的结构性的“语法”。结果不是通常意义上的“液体”但帕普所说的“网络与粘弹性流体的属性”。简而言之,他们可能是一个相当新的和复杂的形式的凝聚态,泰然自若的仿制阶段之间传统的物理学和生物学的敏感组件更熟悉。

订购需求

“远非它曾经的特殊性,“Tjian和他的同事在最近的一个评论中写道⁶现在相分离,对许多人来说,默认解释合理化的方式实现各种类型的细胞上。“大问题仍然保持它如何,他们说,和后果是什么,事实上液相分离细胞中是多么重要。

不过,Tjian并不否认它可以发生在其他实例;他只是提醒研究者对太陶醉的想法,使它成为一个解围的人考虑到可能有其他的解释。事实上似乎液体滴可能是细胞的一般组织逻辑的一部分。⁹2009年Brangwynne做博士后与生物物理学家托尼·海曼在德累斯顿报道,称为P颗粒密集结构,含蛋白质和RNA,出现在生殖细胞的细胞质是液体滴。¹⁰

之后,我想知道如果这个想法的液体浓缩生物分子的状态一般,“Brangwynne说。“我开始看核仁(该地区在制造过程的核核糖体是由]表明,它也的所有特征的液相。¹¹从那时起已经有大量的论文声称看到液体滴在细胞。面上形成的隔间(细胞器如线粒体和lysozomes)是细胞的一个主要方式创建所需的组织让他们化学有序地展开,而不交叉干扰分子组件。液相分离可以提供一个方便的方法生产细胞器需求然后再驱散他们,当他们不需要——只是,例如,通过增加blob-forming蛋白质编码基因的活动。这些隔间可以作为存储容器,可以帮助维持细胞成分的浓度稳定尽管基因表达发生了不可避免的随机波动率:过度的一些分子溶解在液滴可以抹去。

浓缩蛋白通过相分离有时可能会先于凝结成固体状的结构。Brangwynne认为这可以解释纤维缠结的形成本质上的无序蛋白质构成神经退行性疾病如阿尔茨海默氏症。理解,然后阻塞,冷凝过程可能会持有治疗的关键。

液相冷凝越来越似乎是组织细胞内空间”的基本机制,Brangwynne和他的普林斯顿大学的同事Yongdae Shin最近写道。¹²提出了挑战的主导范式分子生物学在过去的几十年里。它表明,而不是构建和控制一切从头开始,从信息基因,细胞有“智慧”的接受和利用物理和化学定律的顺序为他们提供免费的。等重要的存储,这似乎是一个显而易见的:自然将隔离,集中你的分子。

但它的“高阶”细胞信息处理的过程,特别是基因调控,冷凝的影响更加深刻。基因如何相互作用来引导细胞功能,并最终使建设生物,可能是最中央,以及在生物学中最困难的问题。转录因子的滥交和短暂的绑定DNA看起来像一个绝对奇怪和草率的方式精确定义的结果。很多教科书,甚至我们的语言传达这样的一线图像的内部细胞的,Brangwynne说。但现实情况是,计算逻辑基础生活要软得多,湿和随机比任何人赞赏。”

许多生物学家仍然认为,虽然细胞是由分子遵守物理定律,从物理概念理解生物组织在很大程度上是无关紧要的。基因调控的组织原则可能会证明他们是错误的。

菲利普球是一个基于科学作家在伦敦,英国