科学家发现酵母细胞如何感知保护它们的膜上的物理压力

细胞膜在维持细胞的完整性和功能性方面起着至关重要的作用。然而，他们发挥这些作用的机制尚未完全理解。日内瓦大学（UNIGE）的科学家与格勒诺布尔生物结构研究所（IBS）和弗里堡大学（UNIFR）合作，使用冷冻电子显微镜观察质膜上的脂质和蛋白质如何相互作用并对机械应力作出反应

这项工作表明，根据条件的不同，小的膜区域可以稳定各种脂质，从而引发特定的细胞反应。这些发现发表在《自然》杂志上，证实了组织良好的脂质结构域的存在，并开始揭示它们在细胞存活中的作用

细胞被一层膜（质膜）包围，质膜起着物理屏障的作用，但也必须具有延展性。这些特性是由膜的组成成分——脂质和蛋白质赋予的，它们的分子组织会根据外部环境而变化

这种动态性对膜功能至关重要，但必须精细平衡，以确保膜既不太紧张也不太柔软。细胞如何感知质膜生物物理特性的变化被认为涉及膜上的微区域，即微区，这些微区被认为具有特定的脂质和蛋白质含量和组织

高分辨率冷冻电子显微镜

由UNIGE理工学院分子与细胞生物学系正教授Robbie Loewith领导的团队对质膜成分如何相互作用以确保膜的整体生物物理特性保持最佳状态以促进细胞生长和存活感兴趣

“到目前为止，现有的技术还不允许我们研究膜内自然环境中的脂质。多亏了日内瓦大学、洛桑大学、伯尔尼大学和EPFL的Dubochet成像中心（DCI），我们能够通过使用冷冻电子显微镜来应对这一挑战，”Loewith解释道

这项技术允许样品在-200°C下冷冻，以将膜捕获在其天然状态，然后可以在电子显微镜下观察到

科学家们使用了面包酵母（酿酒酵母），这是许多研究实验室使用的模型生物，因为它很容易生长和基因操纵。更重要的是，它的大多数基本细胞过程都反映了高等生物的细胞过程

这项研究侧重于由称为eisosomes的蛋白质外壳支撑的特定膜微区。这些结构被认为能够使用以前未知的过程来隔离或释放蛋白质和脂质，以帮助细胞抵抗和/或发出对膜的信号损伤

“我们首次成功地纯化和观察了含有天然状态质膜脂质的eisosomes。这是我们对它们如何发挥作用的理解向前迈出的一大步，”联合国大学理工学院生物化学系博士后、该研究的合著者Markku Hakala解释道

通过冷冻电子显微镜，科学家们观察到这些微区的脂质组织在机械刺激下发生了变化

分子与细胞生物学系博士后研究员、该研究的第一作者Jennifer Kefauver说：“我们发现，当eisosome蛋白质晶格被拉伸时，微结构域中脂质的复杂排列会发生变化。脂质的这种重组可能会使隔离的信号分子释放，从而触发应激适应机制。我们的研究揭示了一种分子机制，通过这种机制，机械应激可以通过蛋白质-脂质相互作用以前所未有的细节转化为生化信号。”

这项工作为研究膜区室化的原始作用开辟了许多新途径，即蛋白质和脂质在膜内的运动形成称为微区的亚区室。这种机制使细胞能够执行专门的生化功能，特别是激活细胞通讯途径以应对它们可能面临的各种压力 More information: Robbie Loewith, Cryo-EM architecture of a near-native stretch-sensitive membrane microdomain, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07720-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07720-6

Journal information: Nature