Cell：存在30年的谜团终于解决！揭示WNK利用相分离让遭受应激的细胞恢复自身体积机制

在一项新的研究中，来自美国匹兹堡大学和卡耐基梅隆大学的研究人员在显微镜下拍摄了遭受应激的细胞的迷幻影片，这让他们踏上了解决一个谜团的旅程：细胞如何控制自身体积。他们的研究解释了科学家们如何利用一点偶然发现将30年前首次提出的这个谜团中的点连接起来。相关研究结果于2022年10月31日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“WNK kinases sense molecular crowding and rescue cell volume via phase separation”。

论文共同第一作者、卡内基梅隆大学博士后研究员Daniel Shiwarski博士和他的妻子、论文共同第一作者Cary Boyd-Shiwarski博士描述如何将一个偶然的实验变成一个意外的发现时说道，“我们当时正在做与这项研究无关的活体荧光成像实验，当我们在细胞中加入盐溶液时，细胞质内部的物质迅速变成了荧光熔岩灯（lava lamp）。”

他说，“我看着她，她问我发生了什么，好像我应该知道似的。我说，‘我不知道，但我认为这可能是重要的事情！’”

当细胞突然暴露在外部应激源下，如高浓度的盐或糖，它们的体积会减少。在20世纪90年代初，科学家们提出，细胞通过某种方式监测它的蛋白浓度或者说细胞内的“拥挤程度”来恢复它的体积。但是他们不知道细胞如何感觉到过度拥挤。然后，在21世纪初，人们发现了一类叫做With-No-Lysine激酶（With-No-Lysine kinase, WNK）。多年来，科学家们猜测WNK可逆转细胞萎缩，但它们如何做到这一点也是一个谜。

这项新的研究解决了这两个难题，揭示了WNK激酶如何激活一种“开关”，从而让细胞体积通过一种称为相分离（phase separation）的过程恢复平衡。

论文通讯作者、匹兹堡大学医学院肾脏电解质科副教授Arohan R. Subramanya博士说，“细胞内部含有细胞质，通常人们认为细胞质是扩散的，在细胞质中多种分子漂浮在一种完美的混合溶液中。但是在我们对细胞质如何发挥作用的思考中发生了这种显著的改变。它真地就像一种乳剂，含有一堆小的、微小的蛋白团和液滴，然后当诸如过度拥挤之类的应激发生时，它们会聚集成大的液滴，通过可以用显微镜看到。”

这些液体状的液滴就是Shiwarski和Boyd-Shiwarski在那个决定性的日子里看到的“熔岩灯”，当时他们在实验室里向细胞中添加一种盐溶液。他们对WNK1进行了荧光标记，使它们扩散到整个细胞质上，导致整个细胞发光。当加入这种盐溶液时，WNK1聚集在一起，形成巨大的霓虹绿色小球，像熔岩灯中的粘液一样在细胞中渗出。

这些作者将他们所看到的描述为相分离，也就是当WNK1与激活细胞中的盐分转运体SLC12的分子一起凝结成液滴。这一步骤允许细胞同时输入离子和水，使细胞的体积在几秒钟内恢复到原始状态。

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.09.042。

相分离是一个新兴的研究领域，但这一过程是否是细胞功能的一个重要部分一直存在争议。Boyd-Shiwarski说，“有很多人不相信相分离在生理学上是意义重大的。他们认为这是在试管中过量表达蛋白时发生的事情，或者作为一种病理过程发生，但在正常健康细胞中并没有真正发生。”

但在过去六年里，这些作者利用与人体内部发生的波动相类似的应激源进行了多项研究，从而证实WNK1的相分离是对拥挤的一种功能性反应。

Subramanya解释说，细胞体积恢复对人类健康也有影响：“我们如此兴奋的原因之一是，我们的下一步将是在肾脏中研究这一点。”

其他WNK在钾水平较低时，通过相分离形成专门的凝结物，称为WNK体（WNK body），从而激活肾小管细胞内的盐分转运。现代西方饮食中的钾含量通常很低，因此在试图调节细胞体积的同时，WNK体可能会引起盐敏感性高血压。

虽然这项新发现不会有直接的临床应用，但是这些作者很高兴能够利用他们所学到的知识，探索WNK、相分离和人类健康之间的联系。最终，他们的研究工作可能会使人们更好地了解如何预防中风、高血压和钾平衡失调。

参考资料：

Cary R. Boyd-Shiwarski et al. WNK kinases sense molecular crowding and rescue cell volume via phase separation, Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.09.042.