软物质科普∣相分离:细胞里的聚散离合
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软物质科普∣相分离:细胞里的聚散离合
发布时间:2020-06-01        浏览次数:2533

  相分离是一个经典的物理化学概念,二元或多元混合物重新排列,在一定的空间区域各成一相。相分离现象无处不在,从水上漂油花的宏观相分离到高分子嵌段共聚物材料的微观相分离,当然还有你正在读这段文字的这一秒里身体细胞内发生的相分离。

  为了实现特定的功能,细胞进化出了一系列的细胞器,包括有膜包裹的(如线粒体,细胞核等)和无膜包裹的(如核仁,应激颗粒等)。有膜细胞器会将特定蛋白、核酸等物质包裹在膜内,以确保他们在指定的空间内执行其功能。另一类更有趣的是无膜细胞器(图1),在没有膜的束缚下,细胞器依然可以稳定存在,并与周围环境发生频繁的物质交换。

(图1. 真核细胞内的凝聚体结构[1],在绝大多数情况下,无膜细胞器呈液态特征,所以被称为液滴(liquid droplet)或者是液态凝聚体(liquid condensates))

  无膜细胞器是如何形成的,以及其物理化学本质,是困扰了大家多年的问题。而相分离提供了一个可能的形成机制。特定的蛋白质或者核酸分子可以通过多价相互作用,在原本均一的环境中产生物理化学性质不同的另一相,形成无膜细胞器或者是细胞结构[1]。

  近年来,相分离成为了细胞生物学里的研究热点。虽然曾经有生物学家在进行X射线晶体学研究,制备蛋白质样品时观察到“相分离”,但他们并没有将这种现象与细胞质分区构架联系起来。直到有一天,研究生David Courson和Lindsay Moore抵达马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物实验室进行暑期培训。为了更好地培训一台高端显微镜的操作,导师Hyman让他们观察线虫卵中RNA和P颗粒(Pgranules,秀丽隐杆线虫胚胎中含有RNA和蛋白质的胞体)小球是如何形成的。在拍摄小球形成过程时,他们发现了一个有趣的现象,P颗粒像熔岩灯里的液滴(图2)一样相互碰撞、融合[2]。

(图2. 熔岩灯视频 | 网络来源)

  2009年,Brangwynne和Hyman证明P颗粒具有类似液体的特性,并证明了它是通过相分离形成[3]。从此,研究人员们开始关注细胞内的相分离并进行相关实验。2011年,Brangwynne和Hyman以及Mitchison共同发现核仁也有此前报道的液体相分离现象,进一步说明了相分离机制在细胞中广泛存在[4]。2012年,细胞内相分离研究迎来了井喷式发展的转折点。Michael Rosen和Steven McKnight各自领导团队研究蛋白质和RNA分子的细胞内相分离行为,并首次通过简单的生物化学方法在试管内得到重现,而非传统的活体细胞环境,大大降低了研究相分离的实验难度[5]-[6]。

  随着研究的进一步深入,研究人员们发现正常的相分离可以实现细胞内部功能区域的划分,协助细胞进行生理活动(图3)[7],特定蛋白质异常的相分离则可能形成更稳定更难逆转的结构,可能成为特定疾病的源头,例如一些神经退行性疾病(指随着人体年龄的增长而逐渐发生和发展的疾病,如阿兹海默症)。

(图3. 细胞内相分离功能的可能性:调节细胞内蛋白质的浓度;激活信号转导途径,激活生化反应;隔离蛋白与底物,抑制生化反应;对环境变化快速响应;介导蛋白定位;促进细胞骨架的形成;介导形成孔状结构,如核孔[7])

  研究人员在研究肌萎缩侧索硬化(ALS)时观察到“相分离”(图4),也就是斯蒂芬·霍金罹患的“渐冻人症”。这是一种神经退行性病变,主要特点是控制运动的神经细胞中蛋白质异常沉积。在体外“老化”实验中,他们观察到沉积开始时特定蛋白质和其他分子混合,与周围的细胞质相分离,形成小液滴。这些小液滴粘性会逐渐变强,最终呈现非常坚硬的状态[8]。

(图4. ALS相关蛋白质液相-固相转变的过程[8],FUS是一种朊病毒样蛋白,含有与肌萎缩侧索硬化ALS相关的内在无序结构域)

  近年来,关于大量细胞器是通过相分离形成的观点已经得到了越来越多科学家的支持。与此同时,也有部分研究人员认为现在还不能对相分离在细胞中发挥重要作用以及引起疾病的相关观点过早地下结论。哈佛医学院的细胞生物学家Tim Mitchison说,“这些现在只能说是想法或者假设,并不是真的证据。”这依然是一个鸡生蛋还是蛋生鸡的问题,没有确凿的证据去直接说明就是这个过程导致了生命活动的发生,还是这只是别的因素带来的一个副产物而已[2]。

  研究人员们还需要进一步明确细胞内驱动形成相分离的分子机理,建立能够解释和预测相分离现象的理论体系,阐明无膜细胞器的生物学机制及其功能。在探索的过程中,无膜细胞器的纯化和高分辨率结构研究仍是一个瓶颈,特别是在活体细胞环境中[9]。细胞中的相分离结构往往呈现液体的动态行为,没有稳定的组成和构象,很难用主流的结构生物学方法如晶体学或者是冷冻电镜来研究,也无法深入到蛋白二级结构[10]。因此,细胞内相分离的精细结构仍需要靠发展新的技术来解析。

  毋庸置疑的是,细胞内相分离的研究,加深了人类对无膜细胞器的认识,提供了一种研究人类疾病成因的新思路,也将促进合成生物学材料的新发展。

文献资料:

[1] Banani, S. F.; Hyman, A. A. et al, Nature Reviews Molecular Cell Biology 2017, 18, 285.

[2] Dolgin, E., Nature 2018, 555 (7696), 300-302.

[3] Brangwynne, C. P.; Hyman, A. A. et al, Science 2009, 324 (5935), 1729-32.

[4] Brangwynne, C. P.; Hyman, A. A. et al, Proc Natl Acad Sci U S A 2011, 108 (11), 4334-9.

[5] Li, P.; Banjade, S.; Rosen, M. K. et al, Nature 2012, 483 (7389), 336-40.

[6] Kato, M.; McKnight, S. L. et al, Cell 2012, 149 (4), 753-67.

[7] Alberti, S. et al, Cell 2019, 176 (3), 419-434.

[8] Patel, A.; Hyman, Anthony A.; Alberti, S. et al, Cell 2015, 162 (5), 1066-1077.

[9] Boeynaems, S. et al, Trends in Cell Biology 2018, 28 (6), 420-435.

[10]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MzQyNjY1MQ==&mid=2652462320&idx=1&sn=711c5c9fb9add3771f2af12197846b62&chksm=84e2cf44b39546524ca24ac800fad725ecc3959a116ff31171d2106b2d82eb8bc15b7bb46833&scene=21#wechat_redirect

本文作者为华南软物质科学与技术高等研究院18级博士生甘展慧,指导老师为华南软物质科学与技术高等研究院特聘研究员、博导董学会。董学会课题组研究方向:1)精确高分子的合成与自组装结构;2)基于纳米粒子的介观大分子;3)功能蛋白质材料;4)先进光学薄膜材料。目前在高分子化学与物理、软物质科学与工程方向上招收学术博士及硕士;在精确高分子的合成与自组装以及新型显示光学膜材料与聚酰亚胺材料的开发方向上招聘博士后。课题组网页:http://www.softmatters.cn。


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