在基本代谢机器中发现的隐藏结构-“我不认为这是真实的”

在共聚焦显微镜下的此图像中，膜分隔的隔室在4天大的拟南芥植物细胞的过氧化物酶体内部可见。对细胞进行了基因修饰，以在过氧化物酶体的膜（绿色）和管腔（品红色）中产生荧光蛋白。

Discovery“要求我们重新考虑我们认为过氧化物酶体的一切。”

赖斯大学（Rice University）生物化学家扎卡里·赖特（Zachary Wright）在研究生院的第一年发现了隐藏在普通细胞机械内部的某些东西，这些东西对于从酵母到人类的所有高级生命都是必不可少的。

赖特（Wright）在2015年所见-称为过氧化物酶体的细胞器内的小室-在今天发表在自然通讯

研究合著者莱特博士的邦妮·巴特尔（Bonnie Bartel）说：“毫无疑问，这是我们实验室发现的最出乎意料的事情。”顾问和美国国家科学院院士。“这要求我们重新考虑我们认为过氧化物酶体的一切。”

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区域，例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，过氧化物酶体对于神经退行性疾病，肥胖症，癌症和与年龄有关的疾病可能具有更广泛的意义。

关于过氧化物酶体，目前仍知之甚少，但其基本结构（由麻袋状膜包围的颗粒状基质）在2015年就没有问题了。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（Zachary Wright）是莱斯大学生物科学系的博士后研究助理。

“我们是遗传学家，所以我们习惯了意想不到的事情。她说，指的是莱特发现的另一件令人惊奇的事情：精美的彩色图像既显示了过氧化物酶子区隔壁，又显示了其内部。这些图像之所以可能是因为明亮的荧光报道分子，赖特在实验中使用的发光蛋白质标签。生物化学家修改了模型生物的基因-Bartel的实验室使用拟南芥植物-以可控制的方式用荧光蛋白标记它们，从而可以揭示有关特定基因的功能和功能障碍的线索，其中包括一些导致人，动物和植物疾病的基因。

莱特现为Bartel实验室的博士后研究助理，2015年发现过氧化物酶小室时正在测试一名新记者。

巴特尔说：“我从没想到扎克做错了什么，但我不认为这是真的。”她认为这些图片一定是某种伪像的结果，这种伪像实际上不是存在于单元内，而是由实验创建的。

她回忆说：“如果这真的发生了，那么一定有人已经注意到了。”

邦妮·巴特尔（Bonnie Bartel）是赖斯大学（Rice University）生物科学的拉尔夫（Ralph and Dorothy Looney）教授。

赖特说：“从那时起，我基本上是在试图理解它们。”他检查了仪器，重复了实验，没有发现任何伪像的证据。他收集了更多有关神秘小隔间的证据，并通过对旧研究的整理，最终在Fondren图书馆清盘。

他说：“我回顾了60年代关于过氧化物酶体的非常古老的文献，发现他们观察到了相似的东西，只是不了解它们。”“这想法只是失去了。”

从60年代到70年代初期的研究中，有很多关于这些内部隔室的参考。在每种情况下，研究人员都专注于其他事情，并顺便提到了观察结果。并且所有观察都是使用透射电子显微镜进行的，当共焦显微镜在1980年代变得广泛可用时，这种透射电子显微镜就不受欢迎了。

“这比电子显微镜要容易得多，”巴特尔说。“整个领域开始进行共聚焦显微镜检查。在共聚焦显微镜的早期，蛋白质并不是那么亮。”

赖特（Wright）在2015年也使用了共聚焦显微镜，但随着更聪明的记者的到来，小特征的解析变得更加容易。另一个关键：他正在看拟南芥幼苗中的过氧化物酶体。

赖特说：“被遗忘的一个原因是因为酵母和哺乳动物细胞中的过氧化物酶体比光的分辨率要小。”“使用荧光显微镜，您只能看到一个点。那只是光所能做的极限。”

他正在查看的过氧化物酶体的最大尺寸是其100倍。科学家还不确定为什么过氧化物酶体在拟南芥幼苗中如此之大，但他们确实知道发芽的拟南芥种子会从储存的脂肪中获取所有能量，直到幼苗叶片开始通过光合作用产生能量。在发芽过程中，它们受到无数微小油滴的支撑，它们的过氧化物酶体必须加班才能加工油。当它们这样做时，它们的生长将比正常情况大几倍。

赖特说：“明亮的荧光蛋白，与拟南芥中更大的过氧化物酶体结合在一起，使这种现象变得极为明显，而且也变得更加容易，”赖特说。

但是过氧化物酶体也是高度保守的，从植物到酵母再到人，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：“过氧化物酶体是与真核生物长期共存的基本细胞器，在真核生物中，尤其是在突变体中，已经观察到了真核生物，在这些突变体中，过氧化物酶体或多或少地充满蛋白质，因此更易于观察。”说过。但是人们并不一定要注意这些观察结果，因为过氧化物酶体的扩大是由已知的突变引起的。

研究人员不确定小组的目的是什么，但是赖特（Wright）有一个假设。

赖特说：“当您谈论诸如β氧化或脂肪代谢之类的事情时，您会发现这些分子不再想要在水中。”“当您想到传统的生化反应时，我们只是在细胞的水环境中漂浮着一种底物-管腔-并与酶相互作用；如果您有不想在水中闲逛的东西，那就行不通了。”

他说：“因此，如果您使用这些膜溶解不溶于水的代谢物，并允许更好地利用腔内酶，那么这可能是一种更有效地处理这种新陈代谢的一般策略。”

巴特尔说，这一发现也为了解过氧化物酶体紊乱提供了新的背景。

她说：“这项工作可以使我们了解某些症状，并有可能调查引起这些症状的生物化学。”

参考：Zachary J. Wright和Bonnie Bartel于2020年12月4日在Nature Communications.DOI上发表的文章：“过氧化物酶体形成腔内囊泡，在拟南芥中脂肪酸分解代谢和蛋白质区室化中发挥作用。”
10.1038 / s41467-020-20099-y

Bartel是赖斯（Rice）生物科学的拉尔夫（Ralph）和多萝西·鲁尼（Dorothy Looney）的生物科学教授。该研究得到了美国国立卫生研究院（R01GM079177，R35GM130338，S10RR026399）和韦尔奇基金会（C-1309）的支持。