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如果你問一個生物學家,某個細胞下一步會做什么?他可能先要問你該細胞的電壓、氧化性、pH值、滲透性、葡萄糖濃度等等,然后才可能據此預測它是正要發起一個動作電位,還是要進入有絲分裂,抑或正在走向凋亡。但如果你能輕松地得到亞細胞范圍的溫度曲線圖,比如每個線粒體、中心粒甚至內質網區的溫度,就像母親給孩子量體溫那么容易,情況又會完全不一樣。


 

 

現在,來自日本京都大學的科學家將綠色熒光蛋白和沙門氏菌體內感受熱量的一種蛋白融合在一起,制造出一種能檢測細胞內部不同細胞器溫度波動的基因編碼“溫度計”,并將細胞器溫度變化與細胞內部功能聯系在一起,有助于人們進一步理解細胞行為。相關論文發表在最近的《自然-方法學》雜志上。

制做這種新型“溫度計”的關鍵,是一種已知的名為 TlpA 的蛋白,這種蛋白由沙門氏菌制造,其正常作用是作為一種自動調節抑制器,感知溫度以控制轉錄,能在 37℃ 左右進行迅速可逆的結構轉錄。研究人員把綠色熒光蛋白(GFP)的熒光片段與 TlpA 融合,使 GFP 的熒光光譜隨溫度變化,最后再把融合蛋白加入到能瞄準線粒體、內質網或細胞質膜蛋白的序列中。

這種以蛋白質為基礎的新型熱傳感器還能通過基因編碼,直接瞄準不同的細胞器,比如線粒體,同時測量膜蛋白和產生的能量,并在溫度變化與細胞器的內部功能之間建立聯系。在本實驗中,研究人員能探測到褐脂肪線粒體的生熱作用,并把溫度與線粒體膜蛋白、三磷酸腺苷(ATP)生產聯系在一起。

利用這種序列,他們能同時繪制出“感溫”GFP 隨線粒體膜蛋白電壓指示器 JC-1 的染色圖。他們發現,在溫度高的地方,電壓也相應較高。他們還用另一種基因編碼傳感器(ATeam26)結合熒光共振成像(FRET)檢測 ATP,再次證實了這種相關性。ATP 主要是在氧化磷酸化過程中由一種電化學泵產生的,反映了線粒體的質子變化曲線,與 JC-1 所指示的類似。

研究人員指出,這一技術充分發揮作用的最佳地方是腦細胞。它能更好地處理溫度變化,不僅在軸突的內外,而且能在神經膠質細胞內部。膠質細胞包裹著髓磷脂,所以攜帶了脈沖能量的很大一部分,有助于人們更好地理解神經信號的傳輸。但這還有爭議,脈沖神經元熱動力學主要還是由實驗驅動,而并非不太精確的外在溫度傳感器。