《细胞》：三十年的细胞谜团，被一次意外实验解开了

▎药明康德内容团队编辑

在高中生物课上，我们应该都学过质壁分离的现象，当植物细胞面对外部环境压力，例如处于高盐或者高糖的溶液中时会选择脱水，此时细胞体积缩小，我们便能观察到细胞膜与细胞壁分离的情景。

这种变化同样存在于动物细胞中，类似条件下，动物细胞会脱水变小，形成褶皱状。其实身体内部，尤其是肾脏细胞也会经常经历盐离子浓度的变化，尽管没有实验中那么剧烈，但也对它们适时地调控细胞大小提出了很大要求。

那细胞究竟是如何应对变化，调节和控制细胞正常大小来保证生存的呢？

图片来源：123RF

上世纪90年代，科学家认为细胞可能可以监控内部的蛋白浓度，从而知道内部有多“拥挤”，当检测到不拥挤时，细胞便不再变化。后来的一系列实验证明，一种特殊的无赖氨酸激酶（With-No-Lysine kinases，WNK）被发现或许可以逆转细胞缩小的体积，但具体是如何操控这一变化的大家并不清楚。

《细胞》最近的研究终于揭示了细胞的这神奇一面，细胞大小的恢复的确与WNK离不开关系。在理解这一过程之前，我们首先要重新想象一下细胞内部的图景。

我们应该都知道细胞内部会含有各种各样的物质，最基本的包括水和无机离子，此外还有脂质、糖、氨基酸等细胞所需的营养分子，大分子则有蛋白质、RNA和多糖。

这些细胞质基质很容易被认为是均匀地分布在细胞内部的，就好像冲泡咖啡一样都混匀了。但实际上，细胞内部充斥的是一些小的液滴状结构和蛋白质小簇。当外部压力来临，细胞体积缩小时，这些小的液滴便会融合形成大的液滴。

▲WNK参与的相分离过程可以帮助细胞控制大小（图片来源：参考资料[2]）

卡内基梅隆大学的Daniel Shiwarski博士和妻子Cary Boyd-Shiwarski博士在显微镜下就意外观察到了这一奇特现象，他们当时在进行细胞观察，但是突发奇想加入盐溶液后，细胞内部小的荧光点迅速转变成了一个大的荧光团。

▲视频中，细胞在接触盐溶液后，WNK（绿色）会汇聚形成视野中更大的荧光团，此举可以帮助细胞运输水和离子（视频来源：BOYD-SHIWARSKI, ET AL., CELL (2022).）

这些荧光团就是融合的大液滴，而他们当时用荧光所标记的就是WNK。正常情况下，WNK会分布在各处，而一旦处于盐溶液当中，WNK就会聚集到一起。

研究者将这种变化称作相分离（phase separation），这一过程中，WNK在汇聚的同时还会携带着大量激活细胞转运的分子，当它们同时聚集时，会允许细胞打开通道将离子和水运输到内部，从而恢复细胞的体积。

▲细胞的大小变化与WNK具有联系（图片来源：参考资料[2]）

“有许多人认为相分离和生理过程并不相关，他们觉得这或许是过度表达蛋白的异常结果，”Boyd-Shiwarski博士表示，但经过6年的实验，他们确认这是会在正常、健康的细胞中发生的。

WNK的这种相分离对维护细胞正常功能也很重要，比如肾小管细胞中钾离子过低的时候，WNK又可以聚集促成钾离子的转运。因此，除了恢复细胞大小，WNK可能还能作为盐离子的把关工具之一。

研究者指出，这些发现可能在未来推动我们了解高血压、钾离子失衡异常等各种疾病机制，帮助预防和治疗这些疾病，造福更多患者。

参考资料：

[1] Crowded rooms: How Pitt and Carnegie Mellon researchers solved a decades-old mystery. Retrieved November 2, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/969712

[2] WNK kinases sense molecular crowding and rescue cell volume via phase separation. Cell (2022). DOI: 10.1016/j.cell.2022.09.042