Sci Adv丨巨型KASH蛋白与核糖体共同塑造活体细胞质的生物物理特性

摘要：细胞质不仅仅是一个“溶液”，而是充满大分子复合物、细胞器与细胞骨架结构的复杂环境。这样的“拥挤”状态并非杂乱无章，而是决定生命活动秩序的关键因素。它会显著改变分子的扩散速率，影响蛋白质折叠与酶促反应的效率，还能调控液相分离以及信号通路的时空分布。越来越多研究表

细胞质不仅仅是一个“溶液”，而是充满大分子复合物、细胞器与细胞骨架结构的复杂环境。这样的“拥挤”状态并非杂乱无章，而是决定生命活动秩序的关键因素。它会显著改变分子的扩散速率，影响蛋白质折叠与酶促反应的效率，还能调控液相分离以及信号通路的时空分布。越来越多研究表明，细胞质的物理性质不仅关系到细胞如何正常运作，也与衰老、肿瘤发生以及神经退行性疾病等重大生命过程密切相关。然而，在多细胞生物的活体组织中，细胞质如何建立并维持其独特的生物物理性质，始终是一个未解之谜。

2025年9月10日，来自加州大学戴维斯分校的Starr-Luxton团队和纽约大学Liam Holt团队在 Science Advances 发表最新成果

Giant KASH proteins and ribosomes establish distinct cytoplasmic biophysical propertiesin vivo巨型KASH蛋白ANC-1和核糖体像双重守护者，通过互补作用让细胞质保持高约束高拥挤。相比单细胞或细胞培养体系，活体组织呈现出更复杂的物理环境，这为我们理解多细胞生命如何在体内维持细胞质秩序提供了新的思路。

线虫体内“纳米探针”揭示拥挤细胞质

研究团队使用了一种特殊的“基因编码荧光纳米颗粒”（GEMs）【1】，在秀丽隐杆线虫体内实现了实时高速追踪。直径仅 40 纳米的探针，大小正好与许多大分子复合物和核糖体处于同一“介观尺度”（mesoscale）。它们就像舞池里举着发光棒的人：如果舞池空旷，可以自由穿梭；但在人头攒动时，只能艰难挪动。同样地，在细胞质这个“舞池”里，探针的运动状态直接反映了周围分子的拥挤程度和扩散环境的限制。

结果显示，线虫组织中的纳米颗粒扩散速度整体上比酵母、细菌和培养的哺乳动物细胞中慢了一个数量级以上，说明在活体组织中，分子运动处于极度受限的“高黏稠”状态。若从有效黏度（effective viscosity）的角度来比喻：在培养的哺乳动物细胞中，纳米颗粒的扩散犹如在橄榄油中运动；而在线虫组织中，纳米颗粒则更像是在草莓果酱里挤出一条路。

进一步的单颗粒轨迹分析发现，绝大多数纳米颗粒并非自由扩散，而是表现出受限扩散（confined diffusion），仅有少数接近正常扩散（normal diffusion）。这表明，活体组织中极高的有效黏度，很大程度上源于分子运动的强烈受限（extreme confinement）。

图1. 转基因秀丽隐杆线虫在不同组织中实现GEM的表达。

巨型KASH蛋白ANC-1：细胞质的“钢缆”约束

进一步的遗传学实验发现，在缺失 ANC-1 蛋白的突变体中，多数纳米颗粒的运动不再受到约束，同时伴随出现了细胞器排布（organelle positioning）的异常。ANC-1 是一种分子量超过 90 万道尔顿的巨型跨膜蛋白，横跨核膜并延伸至内质网膜，通过与细胞骨架相连来维持细胞内部的有序布局【2】。研究表明，它依靠跨膜螺旋结构稳固内质网，从而为细胞质提供结构性的“空间约束”。这种如同“钢缆”般的作用机制揭示，细胞质的高度拥挤不仅由分子数量决定，更依赖于结构支撑网络的限制。

图2. 基于 Stokes–Einstein 方程的 GEM 扩散测量结果表明，秀丽隐杆线虫组织的细胞质黏度远高于水、酵母和培养哺乳细胞，凸显其极度受限的扩散环境以及缺失ANC-1后这种受限的下降。

核糖体：作为“填充颗粒”的拥挤因子

与此同时，研究人员还发现，降低核糖体水平会显著加快颗粒扩散，但并不会像ANC-1那样改变运动的约束模式。这说明核糖体主要通过增加细胞质中“填充密度”来影响分子扩散，就像是包装箱中的“泡沫颗粒”一样维持拥挤环境。

ANC-1 与核糖体的作用机制彼此独立却相辅相成：前者通过锚定内质网为细胞质提供结构性的“框架约束”，后者则在大分子层面营造“拥挤氛围”。两者协同作用，不仅共同塑造了活体组织特有的细胞质生物物理特性，还进一步在维持细胞器的空间排布方面发挥关键作用。

图3. 内质网在 ANC-1 缺失和核糖体缺乏条件下均受损，但呈现不同特征

启示与展望

研究指出，在秀丽隐杆线虫组织中，40 纳米探针的扩散速度比在水中慢上千倍。如此极端的拥挤环境，或许正是动物细胞维持复杂空间组织和功能分区的关键。

未来，研究团队将进一步探索这些机制在发育、应激和疾病过程中的动态变化。本研究不仅揭示了活体组织细胞质此前未知的物理特性，还阐明了其得以维持的关键途径，并为理解核膜蛋白突变相关疾病（如肌营养不良症）的分子基础提供了新的思路。

该研究由加州大学戴维斯分校分子与细胞生物学系 Starr–Luxton 联合实验室与纽约大学医学院 Liam Holt 实验室合作完成。加州大学戴维斯分校博士生丁相宜（Xiangyi Ding），郝红艳博士（Hongyan Hao），以及Daniel Elnatan博士为本文共同第一作者。加州大学戴维斯分校Daniel A. Starr 教授和 G. W. Gant Luxton教授为本文共同通讯作者。

制版人：十一

参考文献

[1]Delarue, G. P. Brittingham, S. Pfeffer, I. V. Surovtsev, S. Pinglay, K. J. Kennedy, M. Schaffer, J. I. Gutierrez, D. Sang, G. Poterewicz, J. K. Chung, J. M. Plitzko, J. T. Groves, C. Jacobs-Wagner, B. D. Engel, L. J. Holt, mTORC1 Controls Phase Separation and the Biophysical Properties of the Cytoplasm by Tuning Crowding.Cell174, 338-349.e20 (2018).

[2] H. Hao, S. Kalra, L. E. Jameson, L. A. Guerrero, N. E. Cain, J. Bolivar, D. A. Starr, The Nesprin-1/-2 ortholog ANC-1 regulates organelle positioning in C. elegans independently from its KASH or actin-binding domains.Elife10 (2021).

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