[交大智慧]上海交大生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院科研團隊在人工無膜細胞器研究方面取得新進展
近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國家重點實驗室科研團隊首次在原核生物構(gòu)建了人工無膜細胞區(qū)室，揭示了類蛛絲蛋白、節(jié)肢彈性蛋白等固有無序蛋白液-液相分離區(qū)室化的生物大分子機制，建立了熒光蛋白、酶等蛋白融合共定位至區(qū)室的功能化平臺。相關(guān)研究成果以“Formation and functionalization of membraneless compartments in Escherichia coli”為題發(fā)表于Nature Chemical Biology雜志。上海交通大學(xué)研究生韋紹鵬、胡春飛及合作研究的錢志剛副研究員為共同第一作者，夏小霞教授為通訊作者，該文作者還包括受聘上海交通大學(xué)顧問教授的韓國科學(xué)技術(shù)院李相燁教授等。
生命體進化經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復(fù)雜的過程。在復(fù)雜的真核細胞內(nèi)，存在經(jīng)典的有膜細胞器和沒有脂膜包被的無膜細胞器。這類近年才備受關(guān)注的無膜細胞器，廣泛分布于細胞核、細胞質(zhì)甚至細胞膜上，形成類似于胞內(nèi)“小液滴”的特殊微環(huán)境，通過富集蛋白質(zhì)、核酸等大分子參與代謝等重要的生理和病理過程。在尚未進化出有膜細胞器的原核細胞中，是否存在無膜的亞細胞結(jié)構(gòu)，啟發(fā)生物學(xué)家的深入思考和長期探索。該團隊長期研究蛋白質(zhì)材料的設(shè)計及微生物合成，仿生合成的蛛絲蛋白、類節(jié)肢彈性蛋白，因為含有高度重復(fù)的固有無序結(jié)構(gòu)域，與真核生物中的無膜細胞器蛋白組分極為類似。受此啟發(fā)，該團隊首先考察上述材料蛋白在原核細胞中的定位，發(fā)現(xiàn)經(jīng)熒光標(biāo)記的目標(biāo)蛋白在模式細胞大腸桿菌的兩極形成聚集體（見圖1），與基本不可溶、無活性的包涵體迥然不同，而且未進行標(biāo)記的材料蛋白本身也擁有類似的區(qū)室化行為。該團隊通過體外重構(gòu)模擬胞內(nèi)微環(huán)境，揭示了材料蛋白液-液相分離形成亞細胞區(qū)室的分子機制。在此基礎(chǔ)上，研究中將金屬硫蛋白等具有催化功能的酶分子與材料蛋白融合，通過單個或多個融合蛋白的胞內(nèi)區(qū)室化共定位，實現(xiàn)了預(yù)期的人工無膜區(qū)室功能化，展現(xiàn)了原核細胞內(nèi)生物合成時空可控的可行性和優(yōu)越性。
圖1?人工無膜細胞器的形成及功能化
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該研究受真核無膜細胞器啟發(fā)，賦予了原核生物原本不具備的功能化無膜區(qū)室，不僅打破了這類細胞器僅限于真核細胞的固有認(rèn)知局限，而且破解了由于胞內(nèi)固有環(huán)境的差異難以將已有真核無膜細胞器嫁接到原核細胞的天然障礙，為原核細胞內(nèi)生化反應(yīng)的人工時空調(diào)控及其合成生物學(xué)應(yīng)用提供了新機遇。
該研究獲得國家自然科學(xué)基金（21674061，21406138和31470216）和科技部國家重點研發(fā)計劃（2016YFE0204400）的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41589-020-0579-9.
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