我国科学家首次揭示无膜细胞器分层奥秘

记者从西湖大学获悉，该校理学院张鑫团队系统性地揭示了微观极性对于生物凝聚体分层结构的关键性控制作用。这项工作为理解细胞内多层无膜细胞器的形貌和功能调控提供了全新分子机制层面的理论。相关研究成果日前发表在《自然-化学生物学》期刊。

2009年，科学家在线虫细胞里首次发现了无膜的、液滴状的生殖颗粒。从此，无膜细胞器受到生物研究领域的关注。“大多数液滴形貌的无膜细胞器仅有单一聚集体，但少数的无膜细胞器具有多层、互不融合的聚集体。”论文第一作者、西湖大学理学院博士后叶松涛介绍。

受“油水分层”启发，张鑫团队猜想，生物聚集体的分层，是由不同分层结构微环境的极性控制的。“简单而言，极性与分子电荷分布有关。分子电荷分布越不均匀，极性就越大。”叶松涛举例说，水分子就是典型的极性分子，而大部分油脂分子电荷分布相对均匀，属于非极性分子。

体外成像实验验证模型蛋白分层结构和微观极性的关系。西湖大学供图

在这项研究中，张鑫实验室开发了极性敏感型荧光分子SBD，并开创性地使用荧光寿命来定量表征生物聚集体内微观环境的参数。极性敏感荧光分子在激光激发下发光，其发光时间受环境极性大小的影响，极性越强的环境，发光时间越短。

张鑫团队首先用蛋白质液滴来模拟无膜细胞器。他们将SBD荧光分子引入蛋白质液滴中，通过荧光寿命成像的方式展示液滴的微观极性。进入不同液滴中的荧光分子，寿命差距十分明显，说明这些液滴具有截然不同的极性。

接下来，研究团队将各种蛋白质液滴两两混合在一起。这些液滴有的完全混溶，有的则形成分层结构。他们继续研究形成分层结构的液滴，发现果然与微观极性有关：即不同蛋白质液滴的极性差距决定液滴是否分层，而蛋白质液滴极性的相对大小，决定了其在分层结构的相对位置。

在模型蛋白中获得验证后，研究团队进一步在动物细胞中验证了微观极性决定了无膜细胞器分层的相对排布。