激酶 KEY1 通过破坏相分离相互作用在整个细胞周期中控制碳藻体凝聚物的大小

藻类如何调节微小液滴以捕获碳

在许多藻类细胞内部存在一个微小的隔室，帮助将空气中的二氧化碳捕获并浓缩。该研究揭示了藻类如何通过一种分子开关主动调节这些称为碳藻体的隔室的大小和数量。理解这一控制系统不仅加深了我们对细胞如何组织其化学反应的认识，也可能在未来指导提高作物光合作用效率和帮助降低大气 CO2 的努力。

绿色细胞内的小型液态工厂

碳藻体是存在于许多藻类叶绿体内的类液滴结构。它们富集催化 CO2 转化为有机碳的酶 Rubisco，因此对大约三分之一的全球 CO2 固定做出贡献。与由膜界定的刚性细胞器不同，碳藻体更像由相分离形成的液滴：弱而可逆的吸引力使蛋白质在细胞水相中聚集成致密液滴。在模式藻类衣藻（Chlamydomonas）中，一种名为 EPYC1 的柔性蛋白充当连接子，把 Rubisco 分子连接在一起，使其在每个叶绿体中凝聚成单个大的碳藻体。

为什么液滴大小对生命重要

这些液滴的大小和数量并非无关紧要。当酶聚集成一个合适尺寸的单一凝聚体而不是许多分散的小体时，它们处理 CO2 的效率会更高。在其他情形下，异常大或小的凝聚体与癌症等疾病相关。在衣藻中，无法组装出正常单一碳藻体的细胞在 CO2 缺乏时生长不良，表明正确的液滴组织直接影响生存。有趣的是，在细胞分裂期间，通常的单个碳藻体会短暂消失然后再重建，这提示细胞按严格时间表主动溶解并重建这一凝聚体。

一种能溶解并重建液滴的分子调节器

研究者着手寻找驱动这些行为的分子调节钮，并锁定了他们命名为 KEY1 的蛋白。KEY1 是一种激酶——将小的磷酸基团加到其他蛋白上的酶。他们证明 KEY1 与 EPYC1 有物理相互作用，并且是正常碳藻体行为所必需的。当他们破坏 KEY1 基因时，细胞不再形成单个大型碳藻体。相反，它们携带许多较小的凝聚体，并且在细胞分裂期间不能溶解。这些突变体在低 CO2 条件下生长也较差，证实液滴控制失常损害了浓缩 CO2 的机制。显微镜观察显示，在正常细胞中，单个碳藻体在分裂期间溶解成许多小液滴，然后在子细胞中粗化回每个叶绿体一个，而在突变体中这种溶解与重建的循环几乎不发生。

调节粘性的开关

为了解 KEY1 如何发挥作用，团队检查了 EPYC1 的化学状态。他们发现在正常细胞中 EPYC1 被大量磷酸化，带有许多磷酸基团，而在 KEY1 突变体中 EPYC1 基本未被修饰。在用纯化蛋白进行的试管实验中，KEY1 直接磷酸化 EPYC1，特别是在介导其与 Rubisco 结合的位点上。当 EPYC1 被 KEY1 磷酸化后，在任何测试浓度下都不再与 Rubisco 形成凝聚体。敏感测量显示，磷酸化的 EPYC1 几乎不与 Rubisco 结合。在细胞内，磷酸化的 EPYC1 在碳藻体外富集，而未修饰的形式则填充在凝聚体内。这个结果描绘了一个简单的图景：加入磷酸基会削弱 EPYC1 对 Rubisco 的“粘性”并将其驱逐出液滴；去除磷酸基则恢复粘性，使液滴再次增长。

保持液滴居中并受控

KEY1 本身通过一段短序列被拉入碳藻体，该序列可与 Rubisco 结合。当这一定位序列被突变时，KEY1 留在周围的流体中，EPYC1 仍然很少被磷酸化，细胞再次累积多个碳藻体，表明正确定位对于控制至关重要。作者随后构建了一个数学模型，将未修饰的 EPYC1 视为有“粘性”，将磷酸化的 EPYC1 视为无“粘性”，并假设存在一种磷酸酶可逆转 KEY1 的作用。模拟重现了活细胞中观察到的主要特征：生长期为单个大型凝聚体，分裂时 KEY1 活性上升导致向多个小液滴的转变并几近完全溶解，之后再恢复为一个液滴。相同模型还表明，该系统如何自然地将碳藻体定位于叶绿体中心，并防止错误的小液滴在其他地方持续存在。

这对细胞与气候意味着什么

实验与建模共同表明，KEY1 是碳藻体凝聚体的主调控者。通过在特定位点磷酸化 EPYC1，KEY1 调节 EPYC1 与 Rubisco 的结合强度，从而设定首选的液滴大小与数量。低 KEY1 活性有利于形成一个大的凝聚体；在细胞分裂期间活性升高会使其缩小并溶解为较小的液滴，以便在子细胞间公平分配。缺乏 KEY1 时，这一主动的尺寸调节系统崩溃，细胞面临多个尺寸和位置异常的液滴，捕获 CO2 的能力被削弱。超越藻类，这项工作提供了迄今为止最清晰的例证之一，展示细胞如何利用简单的化学标签主动管理类液态隔室的大小、数量与位置——这些见解最终可能有助于在作物或合成系统中设计更高效的固碳机制。

引用: He, S., Lemma, L.M., Martinez-Calvo, A. et al. Kinase KEY1 controls pyrenoid condensate size throughout the cell cycle by disrupting phase separation interactions. Nat Cell Biol 28, 725–738 (2026). https://doi.org/10.1038/s41556-026-01908-w

关键词: 碳藻体, 生物分子凝聚体, 光合作用, 蛋白质磷酸化, 相分离