液液相分離，未來的

作者：優(yōu)選資本   郭宇鵬

生物大分子的“相變”是近幾年來生命科學領(lǐng)域里面發(fā)展非常迅速的熱門領(lǐng)域。這個領(lǐng)域最初的突破來自于Hyman和Brangwynne 2009年在Science發(fā)表了題為：Germline P granules are liquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation 的文章。文章提出了細胞是通過相分離，讓本應(yīng)處于勻質(zhì)狀態(tài)的細胞液對抗了熵增定律。這種特殊的現(xiàn)象讓細胞內(nèi)的特定分子聚集起來，從而在“混亂的”細胞內(nèi)部形成一定“秩序”，為困擾了大家多年的問題，提供了全新的思路。

物理化學中相（phase） 指的是體系內(nèi)部物理和化學性質(zhì)完全均勻的部分稱為相。相分氣相，液相和固相，分別對應(yīng)氣態(tài)，液態(tài)和固態(tài)。（在這里我有一個疑問，等離子態(tài)，玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)和費米子凝聚態(tài)也存在相嗎？希望知道的人可以不吝賜教。）相與相之間在指定條件下有明顯的界面，在界面上宏觀性質(zhì)的改變是飛躍式的。

從更微觀的角度來說組成固體的分子全部被束縛在特定的位置上，只能進行震動而不能移動。分子之間的相對位置也是固定的，所以固體具有一定的形狀，無法輕易使其形變。組成液體的分子則可以自由的在液體內(nèi)改變位置，所以液體表現(xiàn)出變形能力把它放在什么形狀的容器中它就有什么形狀，甚至可以流動。固體和液體的分子密度是類似的，所有分子均緊密的聚在一起，兩個相均難以壓縮。正是因為分子可以在液體內(nèi)自由活動的特性，當一個溶液由多種分子組成的時候，其內(nèi)部的所有分子都會因為相互碰撞而走出無法預(yù)測的軌跡也就是所謂的布朗運動。正是這種布朗運動讓絕大多數(shù)溶液（除了發(fā)生液液相分離外）遵循熵增定律趨向勻質(zhì)狀態(tài)，就如同我們把咖啡和牛奶混在一起從而得到一杯拿鐵一樣。分子的密集程度和分子可以輕易改變位置的特點讓液相成為化學反應(yīng)最理想的地方。

然而液體也可能不進行混合，我們管這個現(xiàn)象叫做液液相分離。液液相分離最初純粹是物理學中的概念，用來描述兩種混合后的液體相互分離的獨特現(xiàn)象。生活中液液相分離最常見的例子就是油與水。當我們把油與水混合攪拌后僅需靜置片刻，油與水會自動分離成兩層而不需要借助任何外力。只要兩種液體間存在使它們分離的力，“相分離”就會發(fā)生。本質(zhì)上來講液液相分離是一種對現(xiàn)象的描述，并不涉及背后機制的解釋。

細胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，細胞內(nèi)的各種物質(zhì)如何在正確的時間以及空間上聚集以執(zhí)行其相應(yīng)的功能，是細胞在一系列基本的生命活動中需要解決的基本問題。細胞內(nèi)環(huán)境非常復(fù)雜，擁有成百上千種分子。細胞是如何在如此復(fù)雜的環(huán)境中保持自身穩(wěn)定、準確、高效的運轉(zhuǎn)，其中的機制尚不清楚。生物演化的一個重要特征是從相對均一的細胞質(zhì)環(huán)境發(fā)展出多樣化的細胞器結(jié)構(gòu)。細胞器本質(zhì)上可以視作一個微型化學反應(yīng)器，迥異的復(fù)雜化學反應(yīng)在不同細胞器內(nèi)部同時進行著，不同的細胞器內(nèi)部擁有完全不同的結(jié)構(gòu)/環(huán)境來加速或開啟其內(nèi)部的化學反應(yīng)。

這些細胞器有兩個顯著的特點：

（1）細胞器都有邊界，邊界內(nèi)部與外部不同的環(huán)境不同。

（2）細胞器內(nèi)部的蛋白或者分子可以在細胞器內(nèi)部自由的擴散。大多數(shù)細胞器都有脂蛋白的膜作為分割內(nèi)部與外部的工具，例如最常見的用于制造ATP的線粒體和用于降解蛋白質(zhì)的溶酶體。有膜的細胞器是如何與其他細胞內(nèi)物質(zhì)共存并且工作，理解起來相對簡單直接。

然而有些細胞器并沒有這類膜結(jié)構(gòu)，在絕大多數(shù)情況下，這些細胞結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)液態(tài)特征，例如可以相互融合，所以被稱為液滴 (liquid droplet) 或者是液態(tài)凝聚體 (liquid condensates)。最典型的案例莫過于生產(chǎn)核糖體的核仁。核仁這類無膜細胞器到底是如何在沒有膜結(jié)構(gòu)的情況下維持穩(wěn)定的自我存在一直是一個迷。這些細胞器一方面保證其內(nèi)部的蛋白質(zhì)和其他分子可以在其內(nèi)部依據(jù)布朗運動自由擴散促成化學反應(yīng)，另一方面又在其邊界上選擇性對特定的分子進行富集或排斥，從而使他與周圍環(huán)境隔離開。

對于生物系統(tǒng)而言這種富集和排斥至關(guān)重要，比如富集特定分子可以造成分子擁擠效應(yīng)可以加速甚至開啟全新的化學反應(yīng)。（關(guān)于分子擁擠請參考文章Macromolecular crowding and confinement: biochemical, biophysical, and potential physiological consequences.）排斥特定分子則可以限制分子運動，將不需要的物質(zhì)隔離開從而抑制化學反應(yīng)。液液相分離不僅能形成液滴狀的結(jié)構(gòu)，部分蛋白質(zhì)還能繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀物的形式。凝膠狀態(tài)的相分離經(jīng)常不可逆轉(zhuǎn)。這種凝膠狀態(tài)可能為許多退行性神經(jīng)疾病的蛋白質(zhì)異常聚集提供了新的解釋，也為未來藥物的開發(fā)也提供了新的思路。

1830年第一個無膜細胞器在神經(jīng)元細胞的細胞核內(nèi)被發(fā)現(xiàn)并被命名為核仁。自此以后各種無膜細胞器在細胞核，細胞質(zhì)和細胞膜上不斷被發(fā)現(xiàn)，基本上所有的真核細胞都有這類細胞器。在高分辨顯微鏡下，這些細胞器展現(xiàn)出了類似的形狀，動態(tài)和聚集方式，無論這些細胞器的構(gòu)成分子，所處位置和功能有多大差別。無膜細胞器都是由多種分子構(gòu)成的，這些細胞器會在數(shù)小時到數(shù)天內(nèi)保持穩(wěn)定并發(fā)揮其生物學功能。自從2009年Hyman和Brangwynne揭示P顆粒是通過液液相分離形成以后，2011年， Hyman和Brangwynne以及Mitchison共同發(fā)現(xiàn)核仁也有此前發(fā)現(xiàn)的“液滴”現(xiàn)象。2012年，美國德州大學西南醫(yī)學中心的兩名生物學家在分別研究蛋白質(zhì)和RNA分子時發(fā)現(xiàn)在試管中的分子通過微弱的作用力形成小液滴或膠凍樣小圓斑。2012年的兩項研究說明液液相分離能夠在試管內(nèi)重現(xiàn)。這個發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了2015年至今的液液相分離研究成果的井噴。

最近兩年大量的細胞通路被證明是通過相分離來執(zhí)行其功能的。這些功能可以大致分成如下幾類：

（1）   液液相分離與感知環(huán)境的變化相關(guān)，并對環(huán)境的變化做出快速響應(yīng)。如果處于臨界態(tài)附近，相變反應(yīng)會在一瞬間出現(xiàn)，類似于細胞驟變現(xiàn)象 (switch-like behavior)，這種響應(yīng)遠比通過細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄以及翻譯過程更加快速。美國西南大學研究團隊證明，mTORC1是通過感知氨基酸濃度后調(diào)節(jié)核糖體濃度來控制液液相分離。其他研究表明液液相分離也可以溫度/酸堿度/外源DNA等作出反應(yīng)。

（2）   液液相分離可以將高濃度的蛋白以液滴的形式儲存在特定的位置，在細胞需要的時候?qū)⒃摰鞍揍尫诺郊毎h(huán)境中。耶魯大學的科學家發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元細胞的突觸囊泡（synaptic vesicle）儲存分子用于神經(jīng)突觸信號的傳遞。當信號到達時，突觸囊泡將它們的內(nèi)含物釋放到突觸中，每個神經(jīng)元能夠在稱為神經(jīng)末梢的結(jié)構(gòu)中儲存數(shù)千個囊泡。

（3）   液液相分離可以形成局部的高濃度蛋白，從而激活一些生化反應(yīng)，激活相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑以及促進細胞骨架的形成。同時在細胞質(zhì)中抽離特定蛋白也可以抑制細胞內(nèi)的一些生化反應(yīng)

（4）   液液相分離可以從液滴狀態(tài)進入凝膠狀態(tài)，導(dǎo)致某些意想不到的變化。這方面研究最深入的則是肌萎縮側(cè)索硬化（ALS）的病理學特征。ALS患者通常帶有突變型的TIA1蛋白。TIA1蛋白石構(gòu)成應(yīng)激顆粒的基礎(chǔ)材料之一，應(yīng)激顆粒的作用則是當細胞經(jīng)歷高溫、化學品和老化等壓力刺激時扣留對生存關(guān)鍵過程非必要的細胞蛋白質(zhì)。這些突變型蛋白構(gòu)建的應(yīng)激顆粒對比普通更粘稠，遲滯應(yīng)激顆粒的正常分解。TDP-43蛋白也是構(gòu)建應(yīng)激顆粒的基礎(chǔ)材料之一，受突變型TIA1蛋白構(gòu)成的應(yīng)激顆粒的特點也解釋了為何ALS患者神經(jīng)元中會有TDP-43聚合物的出現(xiàn)。

總體上來說液液相分離毫無疑問是一個偉大的發(fā)現(xiàn)。就如同跳入棋盤的蘋果，液液相分離給了我們一個全新的視角來審視生命的運行規(guī)律，讓去多曾經(jīng)難以理解的現(xiàn)象變得可以被理解。但就如同上文提到的一樣，本質(zhì)上來說液液相分離是一類現(xiàn)象。我們依然處于探索這些現(xiàn)象背后的機制的初期階段。而且就液液相分離在細胞中無處不在的狀態(tài)來看，大概率這里面有著復(fù)數(shù)規(guī)律等著科研人員去探索和理解。雖然目前我們還對這些機制不甚了解，但這些機制毋庸置疑將為調(diào)控蛋白功能，信號通路，細胞狀態(tài)提供新的途徑。

為調(diào)控例如transcript factor一類的undrugable靶點提供新的手段。目前在這方面推進的最快的以ALS為代表的退行性神經(jīng)疾病，上一段提到的就是ALS病理學的最新進展。即便液液相分離依然屬于早期階段，但是已經(jīng)有一些公司和研究機構(gòu)開始在探索使用小分子來控制液液相分離。當然這些分子并不是依據(jù)機制或者蛋白晶體結(jié)構(gòu)全新設(shè)計出來的，而是對老分子依據(jù)其調(diào)節(jié)液液相分離的能力進行篩選得到的，例如Lipoamide。

非常期待未來10-20年液液相分離能為生物學和醫(yī)學帶來改變世界的突破。

參考： 

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