五月天！如何启动细胞的应急反应程序？

求救！SOS！这样的求救信号在全世界范围内用来指示紧急情况。

组成你身体的细胞也有它们自己的紧急信号版本。如果细胞被病毒或细菌感染，或者缺乏重要的构建块（如氨基酸），这些信号就会被激活。加州理工学院的一项新研究揭示了这些细胞“应激途径”如何激活质量控制机制，从而在危机中清除损害。

这项研究由哈罗德和维奥莱特·阿尔瓦雷斯生物学教授兼研究生院院长David Chan的实验室进行，相关论文已发表在《分子细胞》(Molecular Cell)杂志上。

有四种不同的应激途径触发细胞停止其正常功能。每种应激途径都有其特定的相关蛋白质——激酶，它在听到警报后像保安一样立即警觉起来并被激活。一旦被激活，激酶就会向一种名为EIF2的蛋白质添加一个磷化合物来修饰它，从而使EIF2失活。EIF2是细胞执行产生蛋白质等正常功能的主要启动因子，因此“磷酸化”EIF2会导致细胞中的大部分蛋白质生产暂停。

“如果发生火灾，你会想停止手头的所有工作，并处理火灾，”该研究的第一作者、博士后学者Yogaditya Chakrabarty说。“通过磷酸化停止EIF2有效地关闭了细胞的功能，使其能够专注于紧急情况。”

在应激状态下，细胞还必须激活“质量控制”途径，以确保细胞成分的准确性。这些质量控制机制更像是清洁工，而不是保安——它们可以降解断裂或受损的蛋白质和细胞部分。以前人们不知道应激途径如何影响并与质量控制途径相互作用。

这项新研究表明，在应激情况下，磷酸化的EIF2会被纳入线粒体的表面，从而激活这些细胞器的质量控制反应。这样，磷酸化的EIF2就起到了保安和清洁工的双重作用。

了解这些细胞过程的具体细节对于阿尔茨海默病和帕金森病等疾病的研究非常重要，因为这些疾病和其他神经疾病的特点是质量控制机制的丧失。

“线粒体通常被称为‘细胞的发电厂’，我们正在了解到，细胞具有复杂的机制来保护其发电机的关键功能，”Chakrabarty说。他正在扩展这项工作，以探索应激途径是否也与其他质量控制机制相互作用。

该论文的标题是“综合应激反应的HRI分支选择性地触发线粒体自噬”。除了Chakrabarty和Chan之外，加州理工学院的共同作者还包括研究生Zheng Yang和高级研究科学家Hsiuchen Chen。该研究得到了美国国家卫生研究院的资金支持。David Chan是加州理工学院天桥与克里斯西·陈神经科学研究所的附属教师。

例如，环境科学与工程系的戈登和卡罗尔·特维克助理教授、威廉·H·赫特学者斯姆鲁提·卡提克彦一直致力于利用工程微生物修复石油泄漏。“过去，人们会向泄漏区域添加大量化学分散剂，希望将石油分解成更容易降解的简单化合物。但结果证明，这些分散剂最终弊大于利。这些化学物质对水生生物和部署它们的工作人员具有极大毒性，而且效果并不明显。但观察石油泄漏时，我们发现某些微生物在石油中茁壮成长。它们的遗传组成使它们能够产生生物表面活性剂——有机分散剂，这种物质像洗涤剂或肥皂一样可以分解石油。因此，我们的目标是分离出这些微生物产生的表面活性剂，并通过工程手段改造微生物来增强这种效果。”

但这些工程微生物在清理完石油泄漏后会怎样呢？卡提克彦解释说：“如果没有石油可供消耗，这些微生物几乎检测不到。对于许多微生物而言，如果它们相互作用的化合物或污染物不再存在，那么继续携带降解这些化合物的基因对它们来说将是一个负担。在清洁环境中，这些微生物携带不再有用的额外基因在能量上已不再有利。”

在另一个研究领域，化学工程系的克莱尔·布思·卢斯助理教授格兹德·德米雷开发了工程微生物，以提高作物产量并减少对化学肥料的依赖，这些化学肥料相对昂贵且对环境和人类健康有害。德米雷表示，通过“为工程微生物开发隔离方法，安全性得以提高。我们正在寻找方法，使工程微生物依赖于特定植物生存，这样微生物就不会传播到耕作田之外，并且在作物收获时就会死亡。”