饥饿酵母是微观的活温度计
这张荧光显微镜图像显示了发生相分离的酵母液泡。图片来源：Luther Davis/Alexey Merz/华盛顿大学
膜对我们的细胞至关重要。你身体里的每一个细胞都被一个包围着。这些细胞中的每一个都包含专门的隔室或细胞器，它们也被膜包围。
膜帮助细胞执行诸如分解食物以获取能量、构建和分解蛋白质、跟踪环境条件、发送信号以及决定何时分裂等任务。
长期以来，生物学家一直在努力准确地了解膜是如何完成这些不同类型的工作的。膜的主要成分——称为脂质的大型脂肪状分子和胆固醇等紧凑分子——构成了巨大的屏障。除少数情况外，尚不清楚这些分子如何帮助膜内的蛋白质发挥作用。
在 2022 年 1 月 25 日发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，华盛顿大学的一个团队研究了萌芽酵母的相分离——与烘焙和酿造成名的单细胞真菌——并报告说，活酵母细胞可以在它们的一个膜中主动调节一个称为相分离的过程。在相分离过程中，膜保持完整，但分成多个不同的区域或区域，将脂质和蛋白质分开。新发现首次表明，为了响应环境条件，酵母细胞可以精确调节其膜进行相分离的温度。这一发现背后的团队表明，相分离可能是一种“开关”机制，这些细胞用来控制膜所做的工作类型和它们发送的信号。
“以前的工作表明，这些结构域可以在活酵母细胞的膜中看到，”主要作者、华盛顿大学化学博士生 Chantelle LeveilIe 说。“我们问：如果细胞拥有这些结构域很重要，那么如果我们改变细胞的环境——通过在不同温度下生长——细胞会‘关心’并投入能量来维持其膜中的相分离吗？明确的答案是肯定的，确实如此！”
过去的研究表明，当糖分充足时，酵母细胞的液泡——一种重要的储存和信号细胞器——会变大，并且在显微镜下它的膜看起来很均匀。但是当食物供应减少时，液泡会发生相分离，细胞器膜上会出现许多圆形区域。
在这项新研究中，Leveille 和她的合著者——华盛顿大学化学教授 Sarah Keller、华盛顿大学生物化学教授 Alexey Merz 和之前是华盛顿大学化学博士生的 Caitlin Cornell——试图了解酵母是否可以主动调节相分离。Leveille 在他们典型的实验室温度 86 F 和大量食物下培养酵母。正如预期的那样，在食物减少后，酵母细胞液泡膜经历了相分离。当 Leveille 将酵母环境中的温度短暂升高约 25华氏度时，域消失了。然后，Leveille 在较冷的温度下培养酵母——77 F 而不是正常的 86 F——并发现域在比这个新温度高 25 度时消失了。当她在更冷的条件下（68 华氏度）培养酵母时，相分离再次消失，比它们的生长温度高约 25 度。
这些实验表明，酵母细胞在液泡膜中始终保持相分离，直到温度上升到高于其生长温度约 25 度。
“我们认为这是一个明显的迹象，表明酵母细胞正在不同环境条件下设计液泡膜，以保持这种一致的相分离状态，”Leveille 说。
她补充说，液泡膜中的相分离可能在酵母中起到重要作用。
“这一结果表明酵母的膜相分离可能是一个双向的门，”Leveille 说。“例如，如果细胞再次找到食物，它们会想要回到原来的状态。酵母不想离过渡太远。”
未来的研究可以确定影响液泡膜相分离能力的其他膜成分，以及其相分离的后果。生物学家已经知道，当这些结构域出现在酵母液泡的膜上时，细胞就会停止分裂。这两个事件可能是相关的，因为酵母液泡的膜含有两种对细胞分裂很重要的蛋白质复合物。当复合物相距很远时，细胞分裂停止。
Hans Clevers 小组的研究人员与 Bart Haagmans (Erasmus MC) 小组合作建立了一个类器官生物库，以寻找对 SARS-CoV2 感染传播至关重要的基因。他们的研究于 2021 年 9 月 17 日发表在《自然通讯》上，强调了类器官对冠状病毒基础研究的有用性，并强调了潜在的药物靶点。
“当酵母细胞因食物供应耗尽而需要停止分裂时，液泡中的相分离就会发生，”Merz 说。“一个想法是，相分离是酵母细胞‘用来’分离这两种蛋白质复合物并停止细胞分裂的机制。”
在从酵母到人类的细胞中，嵌入膜中的蛋白质复合物会影响细胞行为。如果进一步的研究表明酵母液泡中的相分离可以调节细胞分裂，那么它可能是第一个通过这种曾经被忽视的膜特性进行细胞调节的严格例子。
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“相分离可能是一种常见的、可逆的机制来调节许多、许多类型的细胞特性，”凯勒说。
康奈尔现在是加州大学伯克利分校的博士后研究员。该研究由美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会资助。