尼亚美

物理学家揭示细胞中的秘密

发布时间:2020/8/18 0:56:02   

IbrahimCissé曾经以为自己会进入父亲的律师事务所。他说:“我在尼日尔长大,在我成长的地方没有科学家,我当然不知道科学是一个可以从事的职业。”

但是Cissé的父母对他们小儿子的最终职业道路有清晰的思路:一个他自己制作的门牌,上面写着“Cissé实验室”。

Cissé实验室

Cissé是从书中学习到实验相关的知识的,因为他在尼日尔首都尼亚美的学校并没有实验室。所以,在10到11岁左右时,他把家里的一个储物室改造成了一个实验空间。在自己亲手制作的门牌后面,Cissé拆开电子设备、重新布线、用零件做新东西,并梦想着成为航天飞机上的宇航员。他说:“人们知道,任何进入我实验室的东西,对我来说都是要拆开的对象。”

17岁时,Cissé来到美国北卡罗来纳州学习英语。后来,在北卡罗来纳州中央大学(历史上是一所黑人大学)的注册日,一位物理学教授测试了Cissé的数学和科学,并建议他主修物理学。然后教授说出了那句神奇的话:“我们有NASA的奖学金。”回想起自己儿时的宇宙梦,Cissé于是成为了一名物理专业的学生。

○生物物理学家IbrahimCissé制作电影,记录基因启动和蛋白质凝聚的过程。

图片来源:BRYCEVICKMARK

如今35岁的Cissé有着“一个年轻科学家应该具备的一切,他充满活力、热情和兴趣”,德国马克思·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的生物学家AnthonyHyman评价道。

给蛋白质拍电影

Cissé现在是一位新的美国公民,他不再拆开电子设备,而是在打破范式。他和同事使用超分辨率显微镜制作电影,以了解基因如何被激活。研究人员花费了数十年时间来研究这个基本问题。

基因被激活的过程涉及将遗传指令从DNA复制到RNA,Cissé认为物理学可以帮助生物学家更好地理解和预测这个过程。他的工作描述了蛋白质何时以及如何聚集起来启动这一过程,这个过程使得细胞在整个生命中正常运作。

物理学家CarlWieman在年因为关于玻色-爱因斯坦凝聚的工作而获得诺贝尔物理学家,他鼓励Cissé申请大的研究型大学的教职。因此,Cisse用了一整个夏天的时间在普林斯顿大学去学习软凝聚态物理,或者说研究液体和其他能改变形状的材料的性质,研究它是如何被用于将MM豆装随机地装在一个罐子里。(其结果发表于年《科学》杂志上)

TaekjipHa是约翰霍普金斯大学的生物物理学家,也是Cissé在在伊利诺伊大学香槟分校的研究生导师。他说,在博士后工作期间,Cissé对一种名为PALM的单细胞显微镜技术进行了看似简单的改进,这让他未来的发现成为了可能。

Cissé利用PALM技术检测活跃状态的RNA聚合酶II,这种酶对于将DNA指令转换成RNA信息,进而生成蛋白质的过程至关重要。Ha说,Cissé并不只是利用PALM技术来获得漂亮的照片,他添加了时间维。本质上,Cissé制作电影来展示RNA聚合酶II形成团簇、然后在完成任务后分解的过程,而不是拍摄静止的快照。(该发现发表于年的《科学》杂志)

○酵母细胞中的RNA聚合酶II。真核生物细胞中的RNA聚合酶主要有三种类型:RNA聚合酶I负责转录核糖体RNA(rRNA),细胞内超过50%的RNA都是这种聚合酶负责的;RNA聚合酶II负责mRNA前驱体、大多数小核核糖体RNA(snRNA)、microRNA的合成;RNA聚合酶III负责5SrRNA、转运RNA(tRNA)和其他小的RNA的合成。

图片来源:MeyerPAetal.

Ha表示:“这个发现相当具有挑衅性”。因为直到那时候,研究人员一直认为RNA聚合酶会形成稳定的工厂,停驻在基因启动点的附近,无所事事,等待其他蛋白质来推动它们激活基因。

年,Cissé和同事在eLife杂志上发表文章称,RNA聚合酶团簇聚集在一起的时间长度决定了一个基因会产生多少RNA信息,这是衡量基因活跃程度的一个指标。

在发表于年7月27日《科学》杂志上的最新研究中,Cissé和同事提出证据表明,恰好在DNA的遗传信息复制到RNA的过程开始之前,启动基因的相关蛋白质会迅速结合成浓缩的液滴。蛋白质能够迅速形成液滴然后分散,就像水分子凝聚成雨滴然后蒸发一样。

单个蛋白质分子只在凝聚物中停留数秒钟,但是这些分子的集体凝聚启动了基因,而且一个凝聚的蛋白质“气泡”会和另外一个、有时候和好几个“气泡”相互作用,同时启动多个基因。

○负责启动基因的蛋白质在细胞核内凝聚成“气泡”,就像快闪族聚集在一个小型广场上。在这幅超分辨率显微镜图像中,负责将DNA的遗传信息复制到RNA的RNA聚合酶II“气泡”(青蓝色)与中介蛋白“气泡”(红色)相互作用,中介蛋白是多个蛋白质的复合体,向聚合酶传递启动基因的信号。

图片来源:CISSéLAB

这个想法存在争议,一些研究人员认为,这种凝聚过程对于启动基因活性并不是必要的。

对Cissé来说,了解这些“气泡”意味着,研究人员可以利用凝聚的物理学原理(比如关于云、雨、雪如何形成的知识)来理解激活基因的蛋白质是如何行动的,并预测接下来会发生什么。

参考来源:



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