學(xué)習(xí)以下材料,回答問題。
PXo小體的發(fā)現(xiàn)
磷酸鹽(Pi)是生命必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)。在細(xì)菌中,Pi儲(chǔ)存在多磷酸鹽顆粒中,而在酵母和植物細(xì)胞中,Pi主要儲(chǔ)存在液泡中。那么,動(dòng)物細(xì)胞中的Pi是如何代謝、存儲(chǔ)的?科研人員在果蠅細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)儲(chǔ)存Pi的全新細(xì)胞器。
研究團(tuán)隊(duì)首先給果蠅喂食了膦甲酸(PFA,能抑制腸吸收細(xì)胞對(duì)磷的吸收),對(duì)腸內(nèi)膜細(xì)胞的成像結(jié)果顯示,PFA作用下,腸干細(xì)胞加速增殖、導(dǎo)致新生的腸吸收細(xì)胞(EC)數(shù)量激增。降低了食物中Pi的水平也發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)果。為了找出低Pi攝入是如何產(chǎn)生這種影響的,科研人員調(diào)查了低Pi水平是否會(huì)影響基因表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn),一種被稱為PXo的基因能夠編碼一種Pi感應(yīng)蛋白。于是,他們用AlphaFold預(yù)測(cè)了果蠅PXo蛋白及其人類直系同源XPR1的結(jié)構(gòu)、并做了結(jié)構(gòu)比對(duì),找到了PXo蛋白上的Pi感應(yīng)域。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)細(xì)胞被剝奪Pi時(shí),PXo基因的表達(dá)會(huì)下調(diào)。定位實(shí)驗(yàn)顯示,PXo蛋白主要位于腸吸收細(xì)胞中,在其他細(xì)胞中很少見。PXo蛋白集中分布在細(xì)胞的一些有多層膜的橢圓形結(jié)構(gòu)中(一種全新的細(xì)胞器,被稱作PXo小體)。Pi被PXo蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入PXo小體后,儲(chǔ)存起來,可轉(zhuǎn)化為膜的主要成分。
當(dāng)飲食中的Pi不足時(shí),PXo小體中的膜成分將顯著減少,最終PXo小體會(huì)被降解并通過下圖所示的機(jī)制促使腸干細(xì)胞增殖。
之前的研究發(fā)現(xiàn),其他微量元素會(huì)儲(chǔ)存在果蠅的囊泡中。但在最新研究中,PXo小體是磷酸鹽特有的儲(chǔ)庫。此外,雖然這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是果蠅,但該發(fā)現(xiàn)可能具有深遠(yuǎn)的意義,它將為醫(yī)學(xué)、營養(yǎng)和健康領(lǐng)域的更多相關(guān)發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。
(1)Pi被PXo蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入PXo小體后儲(chǔ)存起來,也可轉(zhuǎn)化為膜的主要成分
磷脂
磷脂
,Pi作為營養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)參與 DNA、RNA或核酸
DNA、RNA或核酸
等大分子物質(zhì)的合成。
(2)研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)胞缺乏磷酸鹽時(shí),PXo基因的表達(dá)較弱,同時(shí)腸干細(xì)胞過度分裂。因此提出“Pi變化后通過影響PXo基因的表達(dá)來影響細(xì)胞分裂速度”請(qǐng)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)證據(jù),并寫出實(shí)驗(yàn)思路與預(yù)期。 將PXo過表達(dá)載體導(dǎo)入腸干細(xì)胞,缺乏Pi時(shí),轉(zhuǎn)基因腸干細(xì)胞分裂速度慢于對(duì)照組非轉(zhuǎn)基因腸干細(xì)胞,或敲除腸干細(xì)胞PXo基因,正常Pi時(shí),敲除細(xì)胞分裂速度快于非敲除組。
將PXo過表達(dá)載體導(dǎo)入腸干細(xì)胞,缺乏Pi時(shí),轉(zhuǎn)基因腸干細(xì)胞分裂速度慢于對(duì)照組非轉(zhuǎn)基因腸干細(xì)胞,或敲除腸干細(xì)胞PXo基因,正常Pi時(shí),敲除細(xì)胞分裂速度快于非敲除組。
。
(3)PXo小體是磷酸鹽特有的儲(chǔ)庫,線粒體有氧呼吸的主要場所,葉綠體是光合作用場所,從結(jié)構(gòu)與功能的角度分析上述細(xì)胞器結(jié)構(gòu)特殊性的意義。 細(xì)胞吸收的Pi以磷脂形式儲(chǔ)存在膜中,PXo小體具有多層膜結(jié)構(gòu)利于儲(chǔ)存足量的Pi;線粒體內(nèi)膜折疊成嵴增大膜面積,利于有氧呼吸第三階段進(jìn)行;葉綠體類囊體疊加形成基粒擴(kuò)大類囊體膜面積利于光反應(yīng)進(jìn)行
細(xì)胞吸收的Pi以磷脂形式儲(chǔ)存在膜中,PXo小體具有多層膜結(jié)構(gòu)利于儲(chǔ)存足量的Pi;線粒體內(nèi)膜折疊成嵴增大膜面積,利于有氧呼吸第三階段進(jìn)行;葉綠體類囊體疊加形成基粒擴(kuò)大類囊體膜面積利于光反應(yīng)進(jìn)行
。
(4)從穩(wěn)態(tài)與平衡、物質(zhì)與能量角度分析Pxo小體維持動(dòng)物Pi相對(duì)穩(wěn)定的機(jī)制及意義。 當(dāng)飲食中的磷酸鹽不足時(shí),一方面,PXo小體被降解,釋放出磷酸鹽供細(xì)胞使用,(通過補(bǔ)償機(jī)制)維持細(xì)胞中的Pi水平穩(wěn)態(tài);另一方面,PXo小體的降解解除了PXo小體對(duì)Cka蛋白的抑制作用,并進(jìn)一步激活JNK信號(hào),促使干細(xì)胞增殖,形成更多腸吸收細(xì)胞,從而盡可能吸收磷酸鹽,維持Pi的相對(duì)穩(wěn)定。增強(qiáng)了動(dòng)物對(duì)低Pi環(huán)境的適應(yīng),利于個(gè)體的生存。當(dāng)飲食中的磷酸鹽充足時(shí),PXo小體抑制腸干細(xì)胞增殖,既滿足了儲(chǔ)存Pi的需要又避免了物質(zhì)和能量的浪費(fèi)
當(dāng)飲食中的磷酸鹽不足時(shí),一方面,PXo小體被降解,釋放出磷酸鹽供細(xì)胞使用,(通過補(bǔ)償機(jī)制)維持細(xì)胞中的Pi水平穩(wěn)態(tài);另一方面,PXo小體的降解解除了PXo小體對(duì)Cka蛋白的抑制作用,并進(jìn)一步激活JNK信號(hào),促使干細(xì)胞增殖,形成更多腸吸收細(xì)胞,從而盡可能吸收磷酸鹽,維持Pi的相對(duì)穩(wěn)定。增強(qiáng)了動(dòng)物對(duì)低Pi環(huán)境的適應(yīng),利于個(gè)體的生存。當(dāng)飲食中的磷酸鹽充足時(shí),PXo小體抑制腸干細(xì)胞增殖,既滿足了儲(chǔ)存Pi的需要又避免了物質(zhì)和能量的浪費(fèi)
。