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液液相分离,未来的

2020-09-15 11:40:41   来源:投资家网专栏  作者:优选资本 郭宇鹏 

摘要:生物大分子的“相变”是近几年来生命科学领域里面发展非常迅速的热门领域。

作者:优选资本   郭宇鹏


生物大分子的“相变”是近几年来生命科学领域里面发展非常迅速的热门领域。这个领域最初的突破来自于Hyman和Brangwynne 2009年在Science发表了题为:Germline P granules are liquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation 的文章。文章提出了细胞是通过相分离,让本应处于匀质状态的细胞液对抗了熵增定律。这种特殊的现象让细胞内的特定分子聚集起来,从而在“混乱的”细胞内部形成一定“秩序”,为困扰了大家多年的问题,提供了全新的思路。

 

物理化学中相(phase) 指的是体系内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。相分气相,液相和固相,分别对应气态,液态和固态。(在这里我有一个疑问,等离子态,玻色一爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态也存在相吗?希望知道的人可以不吝赐教。)相与相之间在指定条件下有明显的界面,在界面上宏观性质的改变是飞跃式的。

 

从更微观的角度来说组成固体的分子全部被束缚在特定的位置上,只能进行震动而不能移动。分子之间的相对位置也是固定的,所以固体具有一定的形状,无法轻易使其形变。组成液体的分子则可以自由的在液体内改变位置,所以液体表现出变形能力把它放在什么形状的容器中它就有什么形状,甚至可以流动。固体和液体的分子密度是类似的,所有分子均紧密的聚在一起,两个相均难以压缩。正是因为分子可以在液体内自由活动的特性,当一个溶液由多种分子组成的时候,其内部的所有分子都会因为相互碰撞而走出无法预测的轨迹也就是所谓的布朗运动。正是这种布朗运动让绝大多数溶液(除了发生液液相分离外)遵循熵增定律趋向匀质状态,就如同我们把咖啡和牛奶混在一起从而得到一杯拿铁一样。分子的密集程度和分子可以轻易改变位置的特点让液相成为化学反应最理想的地方。





然而液体也可能不进行混合,我们管这个现象叫做液液相分离。液液相分离最初纯粹是物理学中的概念,用来描述两种混合后的液体相互分离的独特现象。生活中液液相分离最常见的例子就是油与水。当我们把油与水混合搅拌后仅需静置片刻,油与水会自动分离成两层而不需要借助任何外力。只要两种液体间存在使它们分离的力,“相分离”就会发生。本质上来讲液液相分离是一种对现象的描述,并不涉及背后机制的解释。

 

 

细胞是生物体结构和功能的基本单位,细胞内的各种物质如何在正确的时间以及空间上聚集以执行其相应的功能,是细胞在一系列基本的生命活动中需要解决的基本问题。细胞内环境非常复杂,拥有成百上千种分子。细胞是如何在如此复杂的环境中保持自身稳定、准确、高效的运转,其中的机制尚不清楚。生物演化的一个重要特征是从相对均一的细胞质环境发展出多样化的细胞器结构。细胞器本质上可以视作一个微型化学反应器,迥异的复杂化学反应在不同细胞器内部同时进行着,不同的细胞器内部拥有完全不同的结构/环境来加速或开启其内部的化学反应。


这些细胞器有两个显著的特点:

(1)细胞器都有边界,边界内部与外部不同的环境不同。

(2)细胞器内部的蛋白或者分子可以在细胞器内部自由的扩散。大多数细胞器都有脂蛋白的膜作为分割内部与外部的工具,例如最常见的用于制造ATP的线粒体和用于降解蛋白质的溶酶体。有膜的细胞器是如何与其他细胞内物质共存并且工作,理解起来相对简单直接。


然而有些细胞器并没有这类膜结构,在绝大多数情况下,这些细胞结构呈现液态特征,例如可以相互融合,所以被称为液滴 (liquid droplet) 或者是液态凝聚体 (liquid condensates)。最典型的案例莫过于生产核糖体的核仁。核仁这类无膜细胞器到底是如何在没有膜结构的情况下维持稳定的自我存在一直是一个迷。这些细胞器一方面保证其内部的蛋白质和其他分子可以在其内部依据布朗运动自由扩散促成化学反应,另一方面又在其边界上选择性对特定的分子进行富集或排斥,从而使他与周围环境隔离开。


对于生物系统而言这种富集和排斥至关重要,比如富集特定分子可以造成分子拥挤效应可以加速甚至开启全新的化学反应。(关于分子拥挤请参考文章Macromolecular crowding and confinement: biochemical, biophysical, and potential physiological consequences.)排斥特定分子则可以限制分子运动,将不需要的物质隔离开从而抑制化学反应。液液相分离不仅能形成液滴状的结构,部分蛋白质还能继续转变为胶状物的形式。凝胶状态的相分离经常不可逆转。这种凝胶状态可能为许多退行性神经疾病的蛋白质异常聚集提供了新的解释,也为未来药物的开发也提供了新的思路。

 



1830年第一个无膜细胞器在神经元细胞的细胞核内被发现并被命名为核仁。自此以后各种无膜细胞器在细胞核,细胞质和细胞膜上不断被发现,基本上所有的真核细胞都有这类细胞器。在高分辨显微镜下,这些细胞器展现出了类似的形状,动态和聚集方式,无论这些细胞器的构成分子,所处位置和功能有多大差别。无膜细胞器都是由多种分子构成的,这些细胞器会在数小时到数天内保持稳定并发挥其生物学功能。自从2009年Hyman和Brangwynne揭示P颗粒是通过液液相分离形成以后,2011年, Hyman和Brangwynne以及Mitchison共同发现核仁也有此前发现的“液滴”现象。2012年,美国德州大学西南医学中心的两名生物学家在分别研究蛋白质和RNA分子时发现在试管中的分子通过微弱的作用力形成小液滴或胶冻样小圆斑。2012年的两项研究说明液液相分离能够在试管内重现。这个发现直接导致了2015年至今的液液相分离研究成果的井喷。

 

最近两年大量的细胞通路被证明是通过相分离来执行其功能的。这些功能可以大致分成如下几类:

 

(1)   液液相分离与感知环境的变化相关,并对环境的变化做出快速响应。如果处于临界态附近,相变反应会在一瞬间出现,类似于细胞骤变现象 (switch-like behavior),这种响应远比通过细胞内的转录以及翻译过程更加快速。美国西南大学研究团队证明,mTORC1是通过感知氨基酸浓度后调节核糖体浓度来控制液液相分离。其他研究表明液液相分离也可以温度/酸碱度/外源DNA等作出反应。

(2)   液液相分离可以将高浓度的蛋白以液滴的形式储存在特定的位置,在细胞需要的时候将该蛋白释放到细胞环境中。耶鲁大学的科学家发现神经元细胞的突触囊泡(synaptic vesicle)储存分子用于神经突触信号的传递。当信号到达时,突触囊泡将它们的内含物释放到突触中,每个神经元能够在称为神经末梢的结构中储存数千个囊泡。

(3)   液液相分离可以形成局部的高浓度蛋白,从而激活一些生化反应,激活相关信号转导途径以及促进细胞骨架的形成。同时在细胞质中抽离特定蛋白也可以抑制细胞内的一些生化反应

(4)   液液相分离可以从液滴状态进入凝胶状态,导致某些意想不到的变化。这方面研究最深入的则是肌萎缩侧索硬化(ALS)的病理学特征。ALS患者通常带有突变型的TIA1蛋白。TIA1蛋白石构成应激颗粒的基础材料之一,应激颗粒的作用则是当细胞经历高温、化学品和老化等压力刺激时扣留对生存关键过程非必要的细胞蛋白质。这些突变型蛋白构建的应激颗粒对比普通更粘稠,迟滞应激颗粒的正常分解。TDP-43蛋白也是构建应激颗粒的基础材料之一,受突变型TIA1蛋白构成的应激颗粒的特点也解释了为何ALS患者神经元中会有TDP-43聚合物的出现。

 

 

总体上来说液液相分离毫无疑问是一个伟大的发现。就如同跳入棋盘的苹果,液液相分离给了我们一个全新的视角来审视生命的运行规律,让去多曾经难以理解的现象变得可以被理解。但就如同上文提到的一样,本质上来说液液相分离是一类现象。我们依然处于探索这些现象背后的机制的初期阶段。而且就液液相分离在细胞中无处不在的状态来看,大概率这里面有着复数规律等着科研人员去探索和理解。虽然目前我们还对这些机制不甚了解,但这些机制毋庸置疑将为调控蛋白功能,信号通路,细胞状态提供新的途径。


为调控例如transcript factor一类的undrugable靶点提供新的手段。目前在这方面推进的最快的以ALS为代表的退行性神经疾病,上一段提到的就是ALS病理学的最新进展。即便液液相分离依然属于早期阶段,但是已经有一些公司和研究机构开始在探索使用小分子来控制液液相分离。当然这些分子并不是依据机制或者蛋白晶体结构全新设计出来的,而是对老分子依据其调节液液相分离的能力进行筛选得到的,例如Lipoamide。

 

非常期待未来10-20年液液相分离能为生物学和医学带来改变世界的突破。

 

参考: 


1. Brangwynne, C.P., et al., Germline P granules are liquid droplets thatlocalize by controlled dissolution/condensation. Science, 2009. 324(5935): p. 1729-32.

2. Han, T.W., et al., Cell-free formation of RNA granules: boundRNAs identify features and components of cellular assemblies. Cell, 2012. 149(4): p. 768-79.

3. Kato, M., et al., Cell-free formation of RNA granules: lowcomplexity sequence domains form dynamic fibers within hydrogels. Cell,2012. 149(4): p. 753-67.

4. Shin, Y., and Brangwynne, C.P. (2017). Liquid phase condensation in cell physiology and disease. Science357.

5. Zeng, M., Chen, X., Guan, D., Xu, J., Wu, H., Tong, P., and Zhang, M. (2018). Reconstituted Postsynaptic Density as a Molecular Platform for Understanding Synapse Formation and Plasticity. Cell 174, https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.06.047.

6. de Vivo, L., Bellesi, M., Marshall, W., Bushong, E.A., Ellisman, M.H., Tononi, G., and Cirelli, C. (2017). Ultrastructural evidence for synaptic scaling across the wake/sleep cycle. Science355, 507-510.

7.Kato, M. et al. Cell‑free formation of RNA granules: low complexity sequence domains form dynamic fibers within hydrogels. Cell 149, 753–767 (2012).

8. Jiang, H. et al. Phase transition of spindle‑associated protein regulate spindle apparatus assembly. Cell 163, 108–122 (2015).

9. Lin, Y., Protter, D. S. W., Rosen, M. K. & Parker, R. Formation and maturation of phase‑separated liquid droplets by RNA‑binding proteins. Mol. Cell 60, 208–219 (2015).

10. Pak, C. W. et al. Sequence determinants of intracellular phase separation by complex coacervation of a disordered protein. Mol. Cell 63, 72–85 (2016).

11. Crick, S. L., Jayaraman, M., Frieden, C., Wetzel, R. & Pappu, R. V. Fluorescence correlation spectroscopy shows that monomeric polyglutamine molecules form collapsed structures in aqueous solutions. Proc. Natl Acad. Sci. USA 103, 16764–16769 (2006).

12. Crick, S. L., Ruff, K. M., Garai, K., Frieden, C. & Pappu, R. V. Unmasking the roles of N− and C‑terminal flanking sequences from exon 1 of huntingtin as modulators of polyglutamine aggregation. Proc. Natl Acad. Sci. USA 110, 20075–20080 (2013).

13. Das, R. K. & Pappu, R. V. Conformations of intrinsically disordered proteins are influenced by linear sequence distributions of oppositely charged residues. Proc. Natl Acad. Sci. USA 110, 13392–13397 (2013).

14. Banani, S.F., Lee, H.O., Hyman, A.A., and Rosen, M.K. (2017). Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry. Nature reviews Molecular cell biology 18, 285-298.

15.  Delarue, M., et al., mTORC1 Controls Phase Separation and the Biophysical Properties of the Cytoplasm by Tuning Crowding. Cell, 2018.


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