Cell：颠覆认知——基于相分离的细胞内电化学模型首次建立

在教科书中，细胞内电化学的调控通常被归因于离子通道。近日，美国圣路易斯华盛顿大学生物凝聚体中心（center for biomolecular condensates）的Yifan Dai 团队和杜克大学的游凌冲、Ashustosh Chilkoti团队在Cell 发表论文，揭示了基于相分离的细胞内电化学的调控机制。这项研究从基础的电化学物理化学原理出发研究相分离，首次解释了为什么细胞需要形成相或生物凝聚体背后的物理化学意义。其他重要参与作者有杜克大学的Zhengqing Zhou 博士和圣路易斯华盛顿大学的Wen Yu 和Yuefeng Ma 博士。

作者从相分离的本质出发，虽然相分离由生物大分子驱动，但背后的影响却是整体溶液体系。基于此，作者研究了在细菌里相分离如何改变离子浓度梯度。由于凝聚体会富集或者排斥特定离子，当凝聚体的体积占细胞比例足够大时，细胞质内的离子浓度会因为凝聚体的形成而改变。作者发现了凝聚体的形成可以缓冲细胞内的pH，还全面分析了相分离对不同离子的影响。

作者之后讨论了细胞内离子浓度差的意义，就像细胞内外离子浓度差一样，建立了热力学里面的电势能差异（具体的原理解释详见作者先前的研究Chem, 2023, 9, 1594）。这个差异会被传导到细胞膜电势上，作者发现相分离通过改变区域离子浓度，影响到了细胞膜的电势。整体上来看，相分离对细胞的影响是全面的。

作者还发现这样的被动效应形成了一种细胞波动（cellular noise）的显像表现。基于随机基因表达和相分离的热力学平衡，细胞的表达噪音被反馈到了凝聚体的体积上，所以影响了细胞内介质的离子浓度。

因为电化学的影响是全面且广泛的，作者使用RNA-seq技术研究了细胞的全局基因表达，结果显示相分离对细胞的影响极大，多种基于环境因子的基因被调控，强调了相分离的功能意义。

作者最后还提到，虽然这项研究在细菌内进行，但其普适性应该是一致的。这个新的理论和调控模式颠覆了我们目前对凝聚体的认知，极大的扩张了我们对细胞工作原理的认识。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Biomolecular condensates regulate cellular electrochemical equilibria

Yifan Dai, Zhengqing Zhou, Wen Yu, Yuefeng Ma, Kyeri Kim, Nelson Rivera, Javid Mohammed, Erica Lantelme, Heileen Hsu-Kim, Ashutosh Chilkoti, Lingchong You

Cell, 2024, DOI: 10.1016/j.cell.2024.08.018