在基本代谢机制中发现的隐藏结构——“我不认为它是真实的”

过氧物酶体经管囊泡

在这张共聚焦显微镜拍摄的照片中,4天大的拟南芥植物细胞的过氧化物酶体中可以看到膜分隔的隔室。这些细胞经过基因改造,在过氧化物酶体的膜(绿色)和腔(洋红色)中产生荧光蛋白。图片由莱斯大学扎卡里·赖特提供

发现“要求我们重新思考我们所知道的关于过氧化物酶体的一切。”

莱斯大学(Rice University)的生物化学家扎卡里·赖特(Zachary Wright)在研究生一年级时发现了一种隐藏在普通细胞机制中的东西,而这种细胞机制对从酵母到人类的所有高级生命都至关重要。

Wright在2015年所看到的——细胞器内被称为过氧化物酶体的子室——在今天发表在自然通讯。

“毫无疑问,这是我们实验室迄今为止发现的最出乎意料的事情,”研究合著者邦妮·巴特尔说,她是赖特的博士顾问,也是美国国家科学院成员。“这要求我们重新思考我们对过氧化物酶体的所有认识。”

过氧化物酶体是细胞将脂肪分子转化为能量和有用物质的隔间,比如保护神经细胞的髓鞘。在人类中,过氧化物酶体功能障碍与严重的代谢紊乱有关,而且过氧化物酶体可能在神经退行性变、肥胖、癌症和年龄相关疾病中具有更广泛的意义。

关于过氧化物酶体仍有很多未知,但它们的基本结构——由袋状膜包围的颗粒状基质——在2015年并没有受到质疑。巴特尔说,这是赖特的发现令人惊讶的原因之一。

扎卡里·赖特

扎卡里·赖特是莱斯大学生物科学系的博士后研究员。图片来源:杰夫·菲特罗/莱斯大学

“我们是遗传学家,所以我们习惯了意想不到的事情。她指的是赖特发现的另一件令人惊讶的事情:美丽的彩色图像展示了过氧化物酶体子室的墙壁及其内部。这些图像之所以成为可能,是因为莱特在实验中使用了明亮的荧光报告符和发光的蛋白质标记。生物化学家修改模式生物的基因——Bartel的实验室使用拟南芥植物——以一种可控的方式用荧光蛋白标记它们,可以揭示特定基因的功能和功能障碍,包括一些导致人类、动物和植物疾病的基因。

赖特现在是巴特尔实验室的博士后研究助理,2015年,他在测试一名记者时发现了过氧化物酶体子室。

巴特尔说:“我从没想过扎克做错了什么,但我不认为那是真的。”她认为这些图像一定是某种人工产物的结果,一种细胞内部并不存在的特征,而是由实验产生的。

“如果这真的发生了,早就有人注意到了,”她回忆自己当时的想法。

邦妮Bartel

邦妮·巴特尔(Bonnie Bartel)是莱斯大学的拉尔夫和多萝西·鲁尼(Ralph and Dorothy rooney)生物科学教授。图片来源:杰夫·菲特罗/莱斯大学

“基本上,从那一刻起,我就试着去理解他们,”赖特说。他检查了他的仪器,重复了他的实验,没有发现任何藏物的证据。他收集了更多关于这些神秘分区的证据,最终来到了丰德伦图书馆(Fondren Library),在过去的研究中进行梳理。

“我重新查阅了上世纪60年代关于过氧化物酶体的非常古老的文献,发现他们也观察到了类似的事情,只是不理解它们,”他说。“而这个想法就这样消失了。”

在60年代和70年代早期的研究中有很多关于这些内部隔间的参考文献。在每一个案例中,调查人员都把注意力集中在其他事情上,并顺便提到观察到的情况。所有的观察都是用透射电子显微镜进行的,但在20世纪80年代共聚焦显微镜普及后,透射电子显微镜就不再受欢迎了。

巴特尔说:“它只是比电子显微镜容易得多。”“整个领域开始做共聚焦显微镜。而在早期的共聚焦显微镜中,蛋白质并没有那么亮。”

Wright在2015年也使用了共聚焦显微镜,但由于有了更明亮的报告,更容易分辨小的特征。另一个关键:他正在研究拟南芥幼苗的过氧化物酶体。

赖特说:“人们忘记这一点的一个原因是,酵母和哺乳动物细胞中的过氧化物酶体比光的分辨率小。”“用荧光显微镜,你只能看到一个点。这只是光的极限。”

他观察到的过氧化物酶体比原来大100倍。科学家们不确定为什么过氧化物酶体在拟南芥幼苗中变得如此巨大,但他们知道发芽的拟南芥种子从储存的脂肪中获取所有的能量,直到幼苗的叶子开始通过光合作用产生能量。在萌发过程中,它们被无数微小的油滴维持,它们的过氧化物酶体必须超时工作来处理油。当它们这样做的时候,它们会比正常的大好几倍。

赖特说:“在拟南芥中,明亮的荧光蛋白与更大的过氧化物酶体结合,使这一现象非常明显,也更容易看到。”

但是过氧化物酶体也是高度保守的,从植物到酵母再到人类,巴特尔说有迹象表明这些结构可能是过氧化物酶体的一般特征。

她说:“过氧化物酶体是一种基本的细胞器,在真核生物中已经存在很长一段时间了,在真核生物中已经观察到过氧化物酶体,通常在特定的突变体中,过氧化物酶体要么更大,要么更少,富含蛋白质,因此更容易观察。”但人们不一定会注意到这些观察结果,因为过氧化物酶体的增大是由已知的突变造成的。

研究人员还不确定这些小隔间的作用是什么,但赖特提出了一个假设。

赖特说:“当你谈论像-氧化或脂肪代谢这样的事情时,你会发现分子不想再留在水中了。”“当你想到一种传统的生化反应时,我们只是有一种底物漂浮在细胞的水环境中,也就是细胞腔内,并与酶相互作用;如果有什么东西不想在水中逗留,那么这种方法就行不通了。”

“所以,如果你使用这些膜来溶解水不溶性代谢物,并允许更好地接触腔内酶,这可能是一种更有效地处理这种代谢的一般策略,”他说。

巴特尔说,这一发现也为理解过氧化物酶体疾病提供了新的背景。

她说:“这项工作可以让我们了解一些症状,并有可能调查导致这些症状的生物化学成分。”yabovip2021

参考:过氧化物酶体在脂肪中形成腔内囊泡《拟南芥的分解代谢和蛋白质分隔》作者:Zachary J. Wright和Bonnie Bartel, 2020年12月4日,自然通讯
DOI: 10.1038 / s41467 - 020 - 20099 - y

巴特尔是莱斯大学生物科学系的拉尔夫和多萝西·鲁尼教授。该研究由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health, R01GM079177, R35GM130338, S10RR026399)和韦尔奇基金会(C-1309)资助。

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