研究人员如何解决几十年前关于细胞体积的谜团

显微镜下压力细胞的迷幻电影让来自匹兹堡大学和卡内基梅隆大学的肾脏生理学家和生物学家团队踏上了解开谜团的旅程：细胞如何控制它们的体积?

他们的研究今天发表在《细胞》杂志上，解释了科学家们如何利用一点点偶然性来连接三年前首次提出的谜题上的点。

“我们正在进行与这项研究无关的实时荧光成像实验，当我们向细胞中添加盐溶液时，内部细胞质材料迅速变成了荧光熔岩灯，”博士后DanielShiwarski博士说卡内基梅隆大学的研究员，描述了他和他的妻子、共同主要作者、医学博士、医学博士CaryBoyd-Shiwarski如何将一个偶然的实验变成一个意想不到的发现。

“我看着她，她问我发生了什么事，就像我应该知道的那样，”他说。“我说，'我不知道，但我认为这可能很重要!'”

当细胞暴露于突然的外部压力源时，例如高水平的盐或糖，它们的体积会减少。在1990年代初期，科学家们提出，细胞通过某种方式监测其蛋白质浓度或细胞内的“拥挤”程度来恢复其体积。但他们不知道牢房是如何感觉到过度拥挤的。

然后，在2000年代初，发现了一种称为“无赖氨酸激酶”或“WNK”的酶。多年来，科学家们一直怀疑WNK激酶正在逆转细胞收缩，但他们是如何做到这一点的也是一个谜。

这项新研究解决了这两个难题，揭示了WNK激酶如何激活“开关”，通过称为相分离的过程使细胞体积恢复平衡。

“细胞内部含有胞质溶胶，通常人们认为这种胞质溶胶是分散的，各种分子在完美混合的溶液中漂浮，”资深作者、肾脏电解质副教授、医学博士ArohanR.Subramanya说。皮特医学院的部门和弗吉尼亚州匹兹堡医疗保健系统的专职医师。

“但我们对胞质溶胶如何工作的思考发生了这种范式转变。它真的就像是一种含有一堆微小蛋白质簇和液滴的乳液，然后当发生过度拥挤等压力时，它们会聚集成大液滴，你经常可以用显微镜看到。”

那些液体状的液滴是Shiwarski和Boyd-Shiwarski在他们尝试向细胞中添加盐溶液时看到的“熔岩灯”。他们用荧光标记了WNK，这些WNK扩散到整个细胞质中，导致整个细胞发光。当加入盐时，WNKs聚集在一起，形成霓虹绿色的大球体，像熔岩灯中的粘液一样在细胞周围渗出。

该团队将他们所看到的相分离描述为相分离，即当WNK与激活细胞盐转运蛋白的分子一起凝结成液滴时。此步骤允许细胞同时导入离子和水，从而在几秒钟内将细胞体积恢复到其原始状态。

相分离是一个新兴领域，但这一过程是否是细胞功能的重要组成部分一直存在争议。

“有很多人不相信相分离在生理上是相关的，”皮特医学院肾脏电解质部助理教授Boyd-Shiwarski解释说。“他们认为这是在你过度表达蛋白质时在试管中发生的事情，或者作为一种病理过程发生，但在正常健康细胞中并没有真正发生。”

但在过去六年中，该团队使用类似于人体内发生的波动的压力源进行了多项研究，以表明WNK的相分离是对拥挤的功能性反应。

细胞体积恢复对人类健康也有影响，Subramanya解释说：“我们如此兴奋的原因之一是我们的下一步是将其带回肾脏。”

其他WNK在钾水平低时通过相分离形成专门的冷凝物(称为WNK小体)来激活肾小管细胞内的盐转运。现代西方饮食中钾含量通常较低，因此在试图调节细胞体积时，WNK体可能会导致盐敏感性高血压。

虽然新发现不会立即应用于临床，但该团队很高兴能够利用他们所学到的知识探索WNK、相分离和人类健康之间的联系。最终，他们的工作可能会导致更好地了解如何预防中风、高血压和钾平衡障碍。