Science | 相分离降低细胞中的“噪音”

原创十一月 BioArt

撰文 | 十一月

细胞中基因表达的随机性造成了蛋白质浓度多种多样，是细胞中固有存在的“噪音”【1-3】。但即使是在此种情况下，细胞中仍然能够保持基因表达调控中时空的精确性与稳健性。那么细胞是如何应对广泛存在细胞内噪音的呢？科学家们提出液-液相分离可能为细胞中蛋白质浓度噪音的降低提供了可能的机制【4】，但关于此观点具体的系统性的研究还未见发表。

2020年1月24日，德国马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所A. A. Hyma、C. Zechner以及德国系统发育生物学中心F. Jülicher三研究组合作在Science发文Phase separation provides a mechanism to reduce noise in cells，通过建立将细胞噪音与相分离之间的物理模型揭开了相分离降低细胞内噪音的具体机制。

作者们认为，液-液相分离能够降低细胞内噪音可能是由于在相分离的系统中液滴的内外浓度能够被热力学定律所限制。当细胞中蛋白质浓度发生变化的时候，液滴的数量和尺寸将会发生变化，但是已形成的液滴中蛋白质的浓度则不受影响（图1）。

图1 细胞内蛋白质浓度达到一定阈值后相分离的液滴中蛋白质浓度不受影响

为了对细胞以上情况下能够有效降低细胞中的噪音，作者们建立了一个微观的理论，将蛋白质浓度波动与液-液相分离的物理性质相联系【5,6】。该理论的基础是，当总蛋白浓度超过一定阈值时，二元混合物会通过相变分离成稀释相（Dilute phase）和液滴相（Droplet phase）【6】（图2）。只要相分离的速度快于细胞中蛋白质合成和降解的速度，液滴的形成就可以将蛋白质浓度的噪音降低到泊松极限。根据作者们建立的模型，最小噪声强度取决于蛋白质扩散和蛋白质周转的时间尺度，一般高于泊松极限。因此，通过相分离来降低噪声对于半衰期长和扩散速度快的蛋白质是最有效的。

图2 相分离物理模型

为了在细胞中检测该噪音降低的概念是否正确，作者们在细胞中通过转染表达了2NT-DDX4YFP，该重组蛋白能够在体外体外均发生相分离（图3）。瞬时转染能够在细胞中产生一系列的具有不同转染浓度的细胞，因为转染的效率会对转染进细胞的质粒有一定的影响。在细胞中2NT-DDX4YFP形成的液滴相互融合，随拍摄时间的增加液滴表面逐渐粗糙、形状变得不规则，经光漂白后液滴内部恢复率高，证实了它们在体内也的确存在类似于液体特征【7】。转染24小时后，通过对10,000个细胞中的蛋白质浓度与噪音的分析后作者们发现，一旦2NT-DDX4YFP达到阈值浓度，整体的蛋白质噪音降低，虽然稀释相与模型模拟出的降低曲线存在一定的差异，但稀释相中的蛋白质噪音也是显著降低的（图3）。该差异可能是由于细胞与细胞之间的不同造成的。

图 3 细胞中表达2NT-DDX4YFP通过相分离降低细胞内噪音

在此过程中，作者们发现细胞进入有丝分裂过程中时，细胞中的液滴会弥散，这与其他的有丝分裂细胞周期中的无膜细胞器的相分离状态有些相似【8】。通过分析后作者们发现，在有丝分裂期稀释相中的蛋白质噪音会增加两倍。而一旦从有丝分裂期中脱离出来，细胞中稀释相的噪音会降低。因此，作者们认为这些数据有力地是说明了相分离的发生能够降低稀释相中的噪音，而且通过调节相分离的状态可能可以控制细胞中稀释相中的噪音。

为了进一步检测蛋白在内源表达水平上相分离的状态对于细胞内噪音的影响，作者们利用CRISPR-Cas9技术对内源的核仁组分进行荧光标记。作者们发现在内源表达水平下，核仁组分的相分离状态也同样能够降低细胞中稀释相中的蛋白质浓度噪音水平。

总的来说，该工作建立了一个细胞中蛋白质通过相分离来降低细胞中蛋白质浓度噪音的物理模型，并通过在细胞中瞬时表达相分离的蛋白以及在内源水平上对发生相分离的蛋白进行分析后，以量化的方式确认了该理论存在的可能性。但需要提出的是，作者们的分析是基于对一个蛋白组分相分离状态对细胞内噪音的影响，并没有涉及到对蛋白质复合体或者蛋白质的翻译后修饰等等复杂的情况的考虑。因此，未来关于相分离影响细胞内噪音的研究仍然大有可为。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/367/6476/464

制版人：琪酱

参考文献

1. Elowitz, M. B., Levine, A. J., Siggia,E. D. & Swain, P. S. Stochastic gene expression in a single cell. Science 297, 1183-1186, doi:10.1126/science.1070919 (2002).

2. Newman,J. R. et al. Single-cell proteomicanalysis of S. cerevisiae reveals the architecture of biological noise. Nature 441, 840-846, doi:10.1038/nature04785 (2006).

3. Taniguchi,Y. et al. Quantifying E. coliproteome and transcriptome with single-molecule sensitivity in single cells. Science 329, 533-538, doi:10.1126/science.1188308 (2010).

4. Stoeger,T., Battich, N. & Pelkmans, L. Passive Noise Filtering by CellularCompartmentalization. Cell 164, 1151-1161,doi:10.1016/j.cell.2016.02.005 (2016).

5. Hyman,A. A., Weber, C. A. & Julicher, F. Liquid-liquid phase separation inbiology. Annu Rev Cell Dev Biol 30, 39-58,doi:10.1146/annurev-cellbio-100913-013325 (2014).

6. Weber,C. A., Zwicker, D., Julicher, F. & Lee, C. F. Physics of active emulsions. Rep Prog Phys 82, 064601, doi:10.1088/1361-6633/ab052b (2019).

7. Brangwynne,C. P. et al. Germline P granules areliquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation. Science 324, 1729-1732, doi:10.1126/science.1172046 (2009).

8. Rai,A. K., Chen, J. X., Selbach, M. & Pelkmans, L. Kinase-controlled phasetransition of membraneless organelles in mitosis. Nature 559, 211-216,doi:10.1038/s41586-018-0279-8 (2018).

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