科学家发现了一种细胞纳米机器,它充当内部信息传递系统

在每个细胞内,无数的物质必须按时送达,才能维持生命的正常运转,科学家们终于找到了该系统的一个关键部分。

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当这种常规的细胞运输出现问题时,其后果可能会向外扩散,从而导致感染和罕见的遗传性疾病,而这些疾病都依赖于精确的细胞时序。

由蛋白质构成的信使

研究人员追踪到一种大型、灵活的蛋白质机器,它负责将日常货物从细胞内部运送到细胞表面。

在庞培法布拉大学(UPF),研究团队将这台机器与不间断分泌系统连接起来。

Oriol Gallego 博士领导的研究小组主要研究细胞如何组装短寿命的部件以保持健康。

这种专注取得了成效,因为快递员将日常配送与细胞存活联系起来,即使零件出现故障,也不会留下太多缓冲空间。

不间断的地面运输

对于细胞而言,向外输送物质并非偶然,因为细胞表面膜会不断磨损、生长和重组。

在胞吐作用(将货物泡与膜融合的最后一步)中,蛋白质最终会排出体外。

细胞利用这种向外流动来释放激素、显示免疫信号,并修复正常活动过程中形成的小撕裂。

因为这种输送过程从未真正停止过,所以任何环节的故障都可能迅速给整个细胞带来压力。

正确连接系绳

在发生聚变之前,货物泡必须保持在靠近表面的位置,不能漂移。

细胞通过胞吐复合体解决了这个问题——胞吐复合体由八种蛋白质组成,可以将货物固定在细胞膜附近。

在许多生物体中,同样的基本复合体帮助将交通工具引导到特定位置,从而使生长和形状变化保持有序。

直到现在,多个拷贝联合起来进行日常分泌的那一刻仍然很难用三维方式描述。

ExHOS形成环状结构

胞吐复合体副本不会单独运作,而是在每个输送部位聚集形成 ExHOS(胞吐复合体高级结构的缩写)。

一篇新文章描述了七个这样的复制品在货物周围形成一个柔性环。

当包裹接近薄膜时,环会膨胀,其变化的半径与旅程的不同阶段相匹配。

该动议表明,信使不是一个静止的支架,而是一个可以设定时间的移动组织者。

融合前的三个步骤

在每次运输过程中,囊泡(一种携带货物的膜状小气泡)会在靠近表面的三个检查点停留。

研究人员发现第一次停滞发生在 27 纳米左右,第二次停滞发生在 18 纳米左右。

在膜融合之前,囊泡在最后的停顿中保持在 5 纳米左右,大约 0.2 百万分之一英寸(5 纳米)。

这种走走停停的模式意味着几个蛋白质的传递必须保持协调,否则表面就无法安全地更新。

内置复位开关

融合后,环状结构不会永远存在,因为细胞必须重新利用其组成部分进行下一次融合。

一种名为 Sec18 的蛋白质,是一种回收酶,可以释放部分物质以供重复使用,它破坏了该结构并将胞吐复合体的碎片放回体内。

当 Sec18 部分耗尽时,即使融合蛋白仍然到达,新的递送事件发生率也下降了 47%。

结果表明,回收利用存在瓶颈,造成了微生物或变异可能利用的漏洞。

当微生物利用分泌物时

有些病原体在扰乱宿主表面活动时会受益,因为新鲜的细胞膜有助于它们入侵和传播。

在一项沙门氏菌研究中,细菌效应蛋白将胞吐体拉向入侵部位,以提供额外的膜。

稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)利用Exo70靶标(植物中的胞吐复合体亚基)来影响免疫识别。

一项经济分析估计,稻瘟病造成的粮食损失足以养活超过 6000 万人一年。

系统罕见故障

在人类中,这种输送途径的失败通常会在神经系统中显现出来,因为神经系统中不断生长的细胞需要持续的表面更新。

一份关于 EXOC2 基因(该基因有助于构建胞吐复合体)的报告指出,该基因的变异与严重的脑部缺陷有关。

受影响的儿童出现严重的发育迟缓,有些还患有癫痫,这表明货物运输的微小变化会扰乱早期神经连接。

“这种纳米信使的功能非常重要,因此在患者体内很少发现它发生突变,因为它的改变通常会损害胚胎的存活能力,”加列戈博士说。

捕捉移动的纳米机器

捕捉信使需要捕捉许多转瞬即逝的形状,因为它的各个部分会迅速重新排列,然后从视野中消失。

研究人员将先进的显微镜与机器学习相结合,将嘈杂的图像转化为更清晰的 3D 运动图。

“尽管它是细胞中最大的纳米机器之一,但由于其寿命短、动态性强,因此很难捕获它,”加列戈博士说。

能够追踪快速组装过程的工具或许能够帮助科学家将其他隐藏的机器与疾病联系起来,而无需从间接线索中猜测。

接下来会发生什么变化?

通过揭示瞬态环如何控制递送速度,这项研究将细胞生长、感染风险和罕见疾病联系起来。

未来的实验可以测试哪些分子可以调节每个检查点,以及哪些药物或作物性状可以在压力下保护系统。

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