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磷酸盐是生命必不可少的营养物质，如果没有磷酸盐，我们的DNA、储存能量的ATP分子和细胞膜都无从谈起。然而，动物细胞中的磷酸盐是如何代谢、存储的？它们能否像在植物细胞中那样，帮助细胞交流？对于这些问题，科学界的认识还十分有限。
现在，一项发表于《自然》的新研究取得了突破性发现。研究在果蝇细胞中发现了一个储存磷酸盐的全新细胞器。研究指出，这个全新的结构能够帮助调节细胞内的营养物质水平，并且在磷酸盐短缺时帮助维持组织稳态。
来自哈佛医学院等机构的研究人员对模式动物果蝇的肠道展开了研究。他们首先给果蝇喂食了膦甲酸（PFA）——这种物质能抑制细胞对磷的吸收。对肠内膜细胞的成像结果显示，磷酸盐缺失时，祖细胞加速增殖、导致新生的吸收细胞数量激增。同样，当作者喂食磷酸盐含量较低的食物时，类似的现象也出现了。这些实验说明了磷酸盐对细胞数量的影响。
接下来，作者从基因表达的角度进行了探索。他们发现，一个名为PXo的基因与哺乳动物中的磷酸盐感应蛋白编码基因类似，随后的研究也证实了PXo在其中的作用：细胞缺乏磷酸盐时，PXo的表达下降，祖细胞分裂加速；而当PXo过表达时，细胞分裂也减缓了。
研究团队利用荧光标记了PXo蛋白，发现它们位于吸收细胞和一些祖细胞中，在其他细胞中很少见；而在这些细胞内部，PXo蛋白集中在细胞质的一些椭圆形结构中，并且这些结构似乎不属于任何已知的细胞器。
▲新研究发现了用于储存磷酸盐的全新细胞器（图片来源：参考资料[1]）
对这些神秘椭圆结构的进一步观测显示，它们包含了多层膜结构，而PXo蛋白则在运输磷酸盐穿膜而过。进入细胞器后，磷酸盐就会转化为细胞膜的主要成分——磷脂。这个全新的细胞器结构也被称作PXo小体。
作者指出，缺乏营养时细胞的加速增殖，可能是细胞的一种补偿机制。当饮食中的磷酸盐不足时，PXo小体中的磷脂减少，最终PXo小体被降解、释放出磷酸盐供细胞使用。这个过程激活了Cka蛋白，并进一步激活PXo–Cka–JNK信号通路，促使祖细胞增殖形成更多吸收细胞，从而尽可能吸收磷酸盐。
▲在稳态和饥饿状态下，PXo小体调控磷酸盐水平的机制（图片来源：参考资料[1]）
之前的研究发现，其他微量元素会储存在果蝇的囊泡中。但在最新研究中，PXo小体是磷酸盐特有的储库。作者也由此推测，其他微量营养元素可能也拥有特异性机制，以确保从饮食中获取足够的微量营养元素。
虽然这项研究的重点是果蝇，但该发现可能具有深远的意义。这项研究为探索包括人类在内的其他动物中是否有类似的细胞器奠定了基础。肠道是调节体内磷酸盐水平的器官之一，但哺乳动物的磷酸盐感知尚不完全清楚。观察是否能在哺乳动物（尤其是肠道）细胞中发现类似的多层细胞器，将有着重要意义。
综上，这一发现朝着更全面地理解细胞系统，以及调节细胞代谢和信号传导的复杂机制迈出了重要一步。这一发现也将为医学、营养和健康领域的更多相关发现铺平道路。
参考资料：
[1] Xu, C., Xu, J., Tang, HW. et al. A phosphate-sensing organelle regulates phosphate and tissue homeostasis. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06039-y
[2] New cellular ‘organelle’ discovered inside fruit-fly intestines. Retrieved May 4, 2023 from https://www.nature.com/articles/d41586-023-01518-8
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