细胞编程可能开启新的治疗可能性

研究人员可以对细胞进行改造，使其表达新的基因并产生特定的蛋白质，从而为细胞提供新的部分。但是，向细胞提供如何组织和使用这些新部件的指令要困难得多。现在，来自威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员的新工具为解决这个问题提供了一种创新的方法。

细胞以特定的模式移动分子以执行细胞功能。操纵某些细胞功能对治疗发育性疾病和癌症有潜在的好处。科学家很难强迫细胞将特定分子组织成规定的模式。威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员开发了一种工具，使科学家能够对细胞内的特定运动模式进行编程 控制它们如何组织分子。

你需要了解哪些背景信息?

细胞所做的一切都取决于细胞内分子的组织方式。在我们的细胞内——所有的细胞内——蛋白质和其他分子经过组织和重组来执行细胞功能。就像一列通勤火车按照预定的间隔沿着不同的路线行驶一样，细胞内的蛋白质在时间和空间上被组织起来，以执行复杂但可预测的功能。

虽然组织细胞内分子的需要在生物体中是普遍存在的，但负责这种组织的特定蛋白质和机制各不相同。例如，在细菌细胞特有的系统中，MinD和MinE蛋白(统称为MinDE)沿着细胞膜相互作用，产生波状图案，有助于细胞内分子的运动。

当分子不能在细胞内正常组织时，可能会产生严重的后果，包括细胞分裂不均匀，细胞内部和细胞之间的通信不当，这两种情况都与发育障碍和癌症等疾病有关。

为什么这个过程很难研究?

简而言之，我们知道如何给细胞提供一些新的部分，但提供如何组织和使用它们的指令要困难得多。

分子组织和相互作用的机制在数千年的进化过程中得到了微调。当科学家设计细胞产生新分子时，很难让细胞在不无意中破坏其他自然细胞功能的情况下使用这些新分子。

科学家是如何取得进展的?

威斯康星大学麦迪逊分校的生化学家开发了一种工具，可以控制哺乳动物细胞中特定蛋白质的运动和组织，同时不影响其他蛋白质。他们的新工具利用了MinDE蛋白之间相互作用产生的波动和振荡，这种蛋白只存在于细菌中，不会干扰哺乳动物的细胞功能。

通过设计MinDE蛋白和感兴趣的蛋白之间的相互作用，研究人员创建了高度指定的模式来组织哺乳动物细胞内的分子，并诱导细胞行为和功能。该工具允许研究人员调整和改变响应刺激的模式，本质上是编程分子随着时间的推移在细胞周围移动到特定的位置。

这个创新的工具——作为1月18日的《细胞》杂志的封面故事——对于那些对工程特定细胞活动或研究活生物体中的细胞活动感兴趣的科学家来说，有多种潜在的用途。

通过控制MinDE蛋白的比例，研究人员可以设计出决定分子在细胞中如何组织的运动模式，这可以用于协调细胞活动，如移动或与其他细胞交流。

运动模式的变化也可以用来研究细胞活动。由于每种比例的MinDE蛋白都会发出一种独特的振荡模式，这些蛋白可以**入一组细胞中，给每个细胞提供自己的模式——一个单独的信标，让研究人员更容易地观察每个细胞。

科学家们还可以利用这些独特的模式来分析细胞的信号模式，以便了解每个细胞的形状、位置和信号活动。科伊尔实验室的研究人员将这种工具的使用比作调频收音机，因为它允许他们调谐到多细胞系统中每个细胞发射的独特数据，这是一项通常非常困难的任务。

科伊尔实验室计划继续探索该工具的应用，包括研究肿瘤中信号通路的动力学，这是细胞行为和功能出错的一个经典例子。

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本研究部分由David和Lucille Packard科学与工程奖学金(2020-71385)，NIH新创新者奖(1DP2GM154329-01)和国家普通医学科学研究所NIH化学-生物学界面培训计划(T32GM008505)资助。通过WARF申请的专利(P220268US01)正在等待中。

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