两篇Science揭示相分离的神奇功能---让神经元作好准备，让免疫系统保持平衡

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两篇Science揭示相分离的神奇功能---让神经元作好准备，让免疫系统保持平衡
8 x2 U' A5 ]5 C4 C0 z来源：本站原创 2018-08-25 14:07
/ {6 M% t8 H) ?' Y2 Z# X2018年8月25日/生物谷BIOON/---在细胞内部，DNA紧密地堆积在细胞核中，刚性的蛋白保持复杂的运输系统在运转，一些分子有更简单的方法来建立秩序。它们能够自我组装，在拥挤的空间中找到彼此，并快速地凝聚成液滴（droplet），就水中的油那样。
( R1 A" B% r/ S& U如今，来自美国霍华德休斯医学研究所（HHMI）的研究人员证实这些液滴并不仅仅是保持细胞内部的整洁。# ^! u' t8 g  V7 `6 |% r0 a  Q) P
在第一项研究中，HHMI研究员Pietro De Camilli及其同事们展示了神经元内的液滴如何让信号在大脑传播。相关研究结果发表在2018年8月10日的Science期刊上，论文标题为“A liquid phase of synapsin and lipid vesicles”。
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" ]$ t% Y/ h/ L% s图片来自Pietro De Camilli Lab。
, B. e: K* S# T. L6 L9 o4 @7 e在第二项研究中，由HHMI研究员Zhijian Chen领导的一个研究小组发现一种感知危险的酶的液滴会产生启动免疫反应的信号。相关研究结果发表在2018年8月17日的Science期刊上，论文标题为“DNA-induced liquid phase condensation of cGAS activates innate immune signaling”。
+ _, s- G; e) B这些液滴的形成是一种被称为相分离（phase separation）的现象。在过去的十年中，生物学家们已观察到蛋白和RNA分子在试管中快速地将自组装成液滴，并且在细胞内发现了液体状液滴（liquid-like droplet）。# j. T0 v% D2 q; C0 \

1 [7 D& k7 E& D* b1 `6 f但是，这些液滴提供的优势（如果有的话）并不总是很清楚。De Camilli和Chen的新发现提供了一种答案---相分离和生物功能之间存在着明确的关联性。7 C! ?& ?, H  N" X; k6 C+ `
神经液滴
* x$ R4 a7 G. l: @& q在耶鲁大学医学院的实验室里，De Camilli研究了神经元如何控制在相邻细胞之间传递信号的神经递质。在神经元内部，这些信号分子位于微小的称为突触囊泡（synaptic vesicle）的膜结合球体中。当传入的消息到达时，突触囊泡将它们的内含物释放到突触中，其中突触是神经元之间在功能上发生联系的部位，也是信息传递的关键部位。( V7 ]( }6 o) d* S0 D, Q
每个神经元能够在称为神经末梢的结构中储存数千个囊泡。有时，单个神经末梢可能需要在一秒钟内释放100多个突触囊泡。De Camilli说，因此这些储存的囊泡很容易获得是至关重要的。8 I  {5 x# M4 v+ i/ M1 o1 l
科学家们利用电子显微镜已观察到突触囊泡在紧凑的结构中簇集在一起。在20世纪80年代，作为Paul Greengard实验室的博士后研究员，De Camilli发现这些簇集体高度富含一种与囊泡表面结合在一起的蛋白。这些研究人员将这种蛋白称为突触蛋白（synapsin）。De Camilli说，“我们猜测突触蛋白可能有助于将囊泡保持在一起，但是我们从未真正理解它是如何发挥作用的。”
* m6 V3 q0 a- n5 H7 |/ ~) I0 M鉴于没有任何膜或结构包围着这些簇集体，De Camilli说，他几十年来一直想知道是什么让它们保持在一起。当他听说其他生物学家的相分离发现时，他猜测这种现象也可能适用于突触蛋白。: \% m; h$ h/ n0 ^7 I; i! v
耶鲁大学医学院博士后研究员Dragomir Milovanovic对突触蛋白的某些特征感到震惊，这是因为它的这些特征类似于能够相分离的其他蛋白。他将经过荧光标记的突触蛋白分子溶液滴到盖玻片上，观察到它们快速地凝聚成液滴。偶尔，两个液滴会合并为一个，就像水中的油滴找到彼此一样。在其他的实验中，Milovanovic观察到各个突触蛋白分子在液滴之间自由地移动。正如这些研究人员猜测的那样，突触蛋白表现得像液体一样。0 U* b6 P9 s8 U; i: s7 f% K* B
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Milovanovic接着证实突触蛋白甚至能够将类似囊泡的结构（如神经元内的囊泡样结构）组装成液滴。更重要的是，当暴露于触发神经递质释放的信号中时，这些液滴快速地破裂。 De Camilli说，“你让漂亮的液滴完全降解”，并解释道这模拟了当神经元进行交流时发生的突触囊泡的自然分散。* j) }" O7 {6 W' R
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他说，在神经元中，突触囊泡液滴提供了明显的优势：随时提供神经递质信使。这一发现解释了当对神经递质释放的需求很高时神经元如何能够跟上。
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免疫警报
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在美国德克萨斯大学西南医学中心，Chen对液滴的研究有助于解释了一个不同的难题：一种感知DNA的酶如何提醒免疫系统感染的存在。这种酶是环状GMP-AMP合酶（cyclic GMP-AMP synthase, cGAS）。2012年，Chen实验室首先发现它。5 {( R1 _2 S. i3 q% x& c
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这种酶漂浮在细胞质中，在遇到DNA时会被活化。鉴于细胞自身的基因位于细胞核和线粒体中，细胞质中的DNA是一种表明出现问题（通常是病原体的存在）的信号。cGAS通过产生cGAMP作出反应，而cGAMP作是一种信使分子，能够召唤身体的第一道防线---先天性免疫系统---来对抗可疑的威胁。2 P  |) W/ e% a: c" \7 C

1 G, W/ T4 @) ^2 L0 P& a这种酶的行为的一些奇怪之处起初是很难解释的。比如，为何长片段DNA比短片段DNA更加有效地激活它？一条线索来自于密集的斑纹（concentrated speckle）：Chen和他的同事们已观察到这种酶当与DNA结合在一起时会在细胞内形成这些密集的斑纹。他们认为，这种酶可能正在经历相分离。 : Z/ }  ^9 s/ a$ ^
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果然，当研究生Mingjian Du在试管中将cGAS和DNA混合在一起时，他观察到了特征性的液体行为。这种酶当与DNA结合在一起时会形成致密的液滴，而且这种酶分子从一个液滴扩散到下一个液滴，偶尔两个液滴会合并为一个。Chen说，“我们怀猜测这种情况可能会发生，但当你观察到它以一种如此高效的方式发生时，这是非常引人注目的。” ' o1 I" _; W/ ?) ]% u/ s) f0 ^
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Du的实验确定这种酶仅在DNA存在下形成液滴。Chen说，这些液滴对病原体感知是至关重要的---它们似乎充当微反应器的作用，将这种酶与产生免疫激活的信使分子所需的一切结合在一起。较长的DNA片段比短DNA片段更能促进液滴形成。
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. b  y, D5 G! F鉴于在这些液滴形成之前，DNA必须存在于一个阈值水平之上，因此cGAS在不必要时很少会招募先天性免疫系统来发挥作用。CHen说，等到有足够的DNA存在时，这会有效地触发相分离，从而让这种酶能够区分敌我。/ J7 ]  S+ Z/ i' C2 m* ?( d
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他指出细胞有时无法实现这种精细的平衡。接着cGAS，以及免疫系统，对细胞自身的DNA作出过度的反应，这会导致自身免疫疾病，如狼疮或关节炎。理解相分离如何调节这种酶可能有助于科学家们开发出校正这些问题的方法。（生物谷 Bioon.com）! V( Z( G- Q; G0 o0 o2 T1 ?
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参考资料：  _* r9 V7 e" d" C$ {" q+ H. x

' ^2 z+ X! `+ ~; z( lProtein droplets keep neurons at the ready and immune system in balance  V3 [. |2 R  D  b1 H# [/ r1 z

/ T6 T8 g# H9 `" n. p& H+ F) X8 }# BDragomir Milovanovic, Yumei Wu, Xin Bian et al. A liquid phase of synapsin and lipid vesicles. Science, 10 Aug 2018, 361(6402):604-607, doi:10.1126/science.aat5671.7 F  y2 U+ p) A7 {( u

; O1 M/ d5 m$ d) l- BEdgar E. Boczek, Simon Alberti. Phase changes in neurotransmission. Science, 10 Aug 2018, 361(6402):548-549, doi:10.1126/science.aau5477.
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; v& M2 x" X" z# TMingjian Du1,2, Zhijian J. Chen. DNA-induced liquid phase condensation of cGAS activates innate immune signaling. Science, 17 Aug 2018, 361(6403):704-709, doi:10.1126/science.aat1022.
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Andrea Ablasser. Phase separation focuses DNA sensing. Science, 17 Aug 2018, 361(6403):646-647, doi:10.1126/science.aau6019.4 {: R% ~$ x, I