微小的蛋白质像气球一样“挤压”细胞

通过使细胞骨架向内弯曲到中心的一个紧点，一个细胞分裂成两个——很像你通过扭曲来制造气球动物。这种名为“卷曲”的蛋白质首次被观察到能弯曲构成细胞骨架的材料。

他们的研究成果得到了欧洲研究理事会(European research Council)和维康基金会(Wellcome Trust)的支持，发表在《生命》(eLife)杂志上，指出了修改和工程细胞的新方法，并更好地理解了细胞的复制过程——这是所有生物都必不可少的过程。

所有的生物都是由细胞组成的，细胞被一层脆弱而灵活的膜包围着，就像气球一样。这是由一种叫做肌动蛋白的物质组成的细胞骨架支撑的，这种物质赋予细胞结构和稳定性。肌动蛋白的细丝是半柔性的，通常是直的，长期以来人们认为它们像火柴棍一样堆叠在一起形成结构。

在细胞分裂过程中，细胞会沿着周围膜的中心产生一个细胞动力环，这是一种由肌动蛋白和运动蛋白组成的机械，称为肌凝蛋白。然后，肌凝蛋白将肌动蛋白丝收缩在一起，并将细胞从中间向下挤压，直到细胞分裂——就像制造气球动物的各个部分，除了内部。

到目前为止，人们认为，当细胞被挤压得更紧时，构成细胞动力环的肌动蛋白丝就会分裂。华威大学的Mohan Balasubramanian教授、Saravanan palani博士(现就职于印度科学研究所)和Darius K?ster博士进行了跨学科合作，他们惊讶地发现蛋白质Rng2的一个片段，昵称为“卷曲”，可以自然弯曲肌动蛋白，10微米的肌动蛋白形成一个直径小于1微米的环。

这可能表明，“卷曲”在细胞动力学环收缩到足够紧密以分裂细胞方面起着关键作用。

20多年前，该研究的主要作者之一Mohan Balasubramanian教授发现了Rng2，它是这一过程中的一种重要蛋白质，但直到现在，研究人员才做出了惊人的观察:它可以将肌动蛋白丝弯曲成实际的环。Rng2与从酵母到人类的高度保守的IQGAp蛋白家族有关，因此该发现可能也与包括人类在内的其他细胞有关。

华威医学院的首席作者Darius Kster博士说:“我们展示的是，如果我们在细胞膜上有这种蛋白质，我们在细胞膜上聚合新鲜的肌动蛋白丝，代表细胞动力学环中发生的事情，肌动蛋白开始弯曲。”如果在细胞中，它是一个弯曲的表面肌动蛋白就会弯曲。

“据我们所知，没有其他蛋白质对单个丝状体做这种工作。如果你观察细胞内部，肯定有弯曲的肌动蛋白结构，但人们认为它们是由非常短的直丝堆积在一起。这打开了一种视角，即肌动蛋白可能是缠绕在几何形状和某些细胞器上的。”

研究人员使用了一种被称为重构的方法，他们通过将一个复杂的系统分解成其组成部分，然后重新组装它，以找出每个单独的元素所起的作用。

在这项由欧洲研究理事会和威康基金会资助的研究中，他们制作了一个脂质双分子层来代表细胞膜，并实验在其中添加了不同的蛋白质，这些蛋白质通常在细胞分裂期间与细胞动力学环的界面上发现。然后他们添加了肌动蛋白丝和肌凝蛋白来代表环本身。当“卷曲”出现时，他们观察到肌动蛋白形成高度弯曲的结构，这种行为在这类实验中通常看不到。

它开启了使用“卷曲”作为工具来设计不同形状的细胞的可能性。科学家可以用它来修改细胞骨架，将细胞扭曲成新的形状，就像气球模型一样。

Kster博士补充道:“我们只有很少的工具可以用来修改细胞皮层，而且我们第一次有了一种方法来设计弯曲的肌动蛋白结构。因为我们可以在细胞中表达它，细胞对它做出反应，我们可以用它来改变细胞皮层的样子。

“这可以帮助我们真正理解弯曲的肌动蛋白是如何使细胞膜变形的，或者细胞是否利用这一机制来控制某些过程。似乎有一些蛋白质喜欢扭曲和改变肌动蛋白的曲率，如果这种情况发生，很可能会有其他蛋白质将其作为信息线索。”

Journal Reference:

Saravanan palani, Sayantika Ghosh, Esther Ivorra-Molla, Scott Clarke, Andrejus Suchenko, Mohan K Balasubramanian, Darius Vasco Köster. Calponin-homology domain mediated bending of membrane-associated actin filaments. eLife, 2021; 10 DOI: 10.7554/eLife.61078