静电相互作用限制了多孔介质模型在哺乳动物细胞内扩散问题上的泛化应用

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Electrostatic interactions constrain generalization of porous-media models for intracellular diffusion in mammalian cells

细胞质拥挤多孔介质模型在惰性示踪物（如GFP）中适用，但带电分子扩散受静电作用显著影响。实验表明，酸性蛋白扩散系数与已知惰性蛋白一致，但引入组氨酸标签使扩散降低40%，说明电荷相互作用主导。碱性小分子扩散受抑制，验证细胞质中广泛存在静电与非特异性相互作用，即使阻断溶酶体酸化亦不明显。研究强调需整合电静力和非特异性作用以完善模型。

　　

Destrian等人（1）结合了光漂白后的活细胞荧光恢复（FRAP）测量、荧光相关光谱（FCS）以及多尺度建模方法，提出细胞质拥挤现象可以被描述为一种多孔介质。这项工作在技术上非常出色，为解释细胞内惰性示踪剂的扩散提供了有用的物理框架。

然而，实验结论主要依赖于绿色荧光蛋白（GFP）作为示踪剂，而GFP相对惰性且相互作用较弱。在这种情况下，空间位阻、路径曲折性和流体动力学效应占据主导地位，因此多孔介质的描述较为合理。然而，细胞质的整体环境具有高度异质性且带强电荷，许多蛋白质和小分子会经历显著的静电和非特异性相互作用，这些相互作用会显著影响它们的移动性。

在我们对18种细菌蛋白（等电点pI范围在4.5到8之间，即大多数为酸性蛋白）进行的FRAP测量中，这些蛋白被微注射到HeLa细胞中，测得的扩散系数约为18至30 μm² s^?1（2，图1A），这与许多哺乳动物细胞质中惰性蛋白的扩散系数值一致（3，4）。野生型GFP（PDB ID 1GFL）在pH 7.0时的等电点为6.19，净电荷为?5.53（5）。先前的实验表明，在大肠杆菌（Escherichia coli）的细胞质中引入由六个组氨酸残基组成的小标签会使得扩散系数降低多达40%，这突显了电荷介导的相互作用的强烈影响（6）。因此，单一的细胞质粘度/拥挤效应无法解释至少在细菌细胞质中的这种扩散减缓现象。Estrada等人还发现，增加蛋白质的净负电荷可以通过聚集作用减少其运动阻力，并加速其旋转扩散（7）。与此观察结果一致，Schavemaker等人系统地增加了大肠杆菌（E. coli）及其他两种原核生物中GFP变体的正表面电荷，并报告称带正电荷的蛋白质的扩散速度比带负电荷的蛋白质慢两个数量级（8）。与细菌细胞质相比，哺乳动物细胞质更为复杂，其中包含许多细胞器，如酸性细胞器溶酶体。与此相符的是，我们发现弱碱性（pKa > 7）的含胺小分子药物（平均分子量< 1 kDa）表现出明显的细胞内“粘性”（随着pKa的增加，D_confocal值降低），这表明它们与细胞质中的阴离子成分发生了广泛的非特异性静电相互作用，如图1B（2）所示。即使我们尝试阻止细胞酸性区域的酸化（例如溶酶体），整体扩散速度也没有明显增加，这进一步支持了细胞质中普遍存在非特异性静电相互作用的观点（2）。

图1.

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（A）显示了细菌蛋白的等电点与D_confocal（实验测得的扩散系数值）的关系；（B）显示了HeLa细胞质中小分子药物的D_confocal值与pKa的依赖关系。图A和B的部分内容改编自Dey等人的研究（eLife，2，https://doi.org/10.7554/eLife.97255.3），采用CC BY许可协议。

这些观察结果表明，虽然多孔介质框架适用于像GFP这样的弱相互作用示踪剂，但将其推广到带电蛋白质（尤其是带正电荷的大分子、信号分子和药物）时，可能需要明确考虑静电及其他相关的非特异性相互作用。将这些效应纳入模型对于扩展到细胞内运输过程的完整多样性至关重要，特别是在动态或异质性细胞状态下。