大家好，本周推荐一篇发表在Nat. Chem.上的文章，题目为“Protocells by spontaneous reaction of cysteine with short-chain thioesters”，通讯作者是University of California, San Diego的Neal K. Devaraj 教授，课题组的研究方向是类膜结构的自组装以及细胞膜动力学。
细胞组成了地球上的生命，而细胞膜之于细胞而言起到了稳定结构和隔离外界等重要的作用。随着分子生物学和结构生物学的发展，我们已经知道细胞膜结构是磷脂双分子层，主要的成分磷脂从光面内质网依靠酶合成而来。但是对于原始细胞而言，还没有进化出如此高级的合成体系时，其细胞膜还是由磷脂组成的吗？它的细胞膜又是如何形成的呢？已经有一些研究结果尝试回答这一问题，但是这些研究往往难以令人信服。比如在地球早期环境中，超过8个碳的长链脂肪酸浓度较低，无法达到形成有效聚集的浓度，而先前研究中普遍使用过高浓度的过长脂肪酸链。同时，由于此时Ca2+和Mg2+较多，会一定程度上干扰膜的形成，而此前少有研究考虑所构建的膜结构在一定浓度Ca2+和Mg2+中的稳定性。最后，一个合格的早期细胞膜结构应当允许酶，例如在进化上比较早期的核酶（一种具有催化性质的小RNA，在进化上较蛋白质酶更早出现）在其中正常工作，但是此前的实验并没有对形成的类膜结构的生物学功能进行测试。在这篇文章中，为了构建更加合理的原始细胞膜生成机制，团队提出了一个新的基本假设：半胱氨酸有三个官能团：羧基，巯基和氨基。其中巯基和氨基可以与硫代胆碱酯反应生成两条疏水尾巴，剩余的羧基充当亲水端，可以形成类似磷脂的结构，具有生成原始细胞膜的可能性。为了验证这一假设的合理性，团队首先论证了半胱氨酸和反应用到的短链硫代胆碱酯都可以在原始地球环境中生成。其次，他们测试了反应可以发生且产物可以产生自组装（图1）的最低浓度。发现2.5 mM的Cys和5.0 mM的硫代胆碱酯在2mM Ca2+和5mM Mg2+存在下30 min就可以在相差显微镜下观察到明显的聚集。冷冻电镜的结果也表明，形成的膜结构的膜厚度为分子直径的两倍，说明生成了双分子层。随后，团队对该反应的条件和机制进行了探究。发现当硫代胆碱酯的碳链长度下降时，生成类膜结构的效率大大下降，其形成有效聚集的最低浓度提高。当体系中存在高浓度NaCl会抑制类膜结构的自组装。当Cys被替换为以Cys为N端的短肽链时，团队也观察到了在mM级浓度下反应的进行和类膜结构的生成。同时他们认为短肽链的多样性可以从一定程度上解释早期的细胞膜结构是如何实现膜结构功能的多样性的。团队发现膜结构的自组装在硅胶表面可以得到催化，而在正电荷表面则无法发生自组装。于是团队提出膜的自组装机制由静电作用主导，负电荷的表面可以提供排斥作用促进膜的自组装，而正电荷表面则会与单体发生吸附从而阻止膜的自组装。最后，团队测试了形成的类细胞膜结构是否可以支持酶在其中行使正常的生物学功能。为了更加模拟原始地球环境，团队选择了一种催化氨基酰化反应的核酶为模型。核酶在实验设计中既作为催化剂也作为反应底物之一，团队首先用类膜结构包裹了一定量核酶，并在类膜结构外加入酰化试剂作为核酶发生氨基酰化的另一底物，并使用RT-qPCR检测产物量。产物的成功生成说明实验构建的类膜结构可以允许核酶在其中发挥正常功能，可以在稳定包裹核酶的同时允许膜外底物进入膜内发生反应。总而言之，文章验证了半胱氨酸与短链硫代胆碱酯可以发生反应生成类磷脂单体。该单体发生自组装得到类细胞膜，具有作为原始细胞细胞膜的可能性。https://www.nature.com/search?author=Neal%20K.%20Devaraj原文引用: https://doi.org/10.1038/s41557-024-01666-y
