就如同水油相混，细胞里的不同成分也会相互分离，形成液滴，这就是所谓的“相分离”。生物学家发现“相分离”在细胞生物学中无处不在。
○ 油滴艺术。| 图片来源：Steve Pavlovsky/光液实验室
撰文：Elie Dolgin
David Courson和Lindsay Moore抵达马萨诸塞州伍兹霍尔进行暑期科研训练时，原本打算利用这个机会学习新的实验技术，并尝试一下高端显微镜。作为研究生，他们从未想过自己将为解决一个困扰了科研人员长达25年的生物学问题提供新思路。
伍兹霍尔海洋生物实验室的导师交给他们的任务是观察线虫卵中RNA和P颗粒（一种蛋白质）小球是如何形成的，这是一个困扰了生物学家很久的大难题。在拍摄小球形成过程时，Courson、Moore和他们的导师发现了一个非同寻常的现象，P颗粒像熔岩灯里的液滴一样相互碰撞、融合。
只有液体才可能发生类似的现象。因此他们意识到，P颗粒并非大部分研究者所认为的那样是固体核心，它们就好似油醋汁里的油滴，剧烈摇晃之后分散成很小的液滴，而后又很快地融合形成大液滴。
这个过程叫做“液-液相分离”，是工程学、化学、物理学中的基本概念。只要两种液体间存在使它们分离的力，“相分离”就会发生，最常见的例子就是油漂在水面上。“相分离”在自然界中很常见，对于许多工艺至关重要。但是当时的Courson并未对此有很多了解，现在他已经是弗吉尼亚州欧道明大学的一名细胞生物学家了。当时他观察到P颗粒像液体一样融合的时候，他的描述是“那是一个干净迅速的过程，但是我并没有意识到这一现象的意义”。
暑期科研课程时间较短，他们没有时间就这一过程进行深入探索。但他们的导师——细胞生物学家Tony Hyman和他的博士后——生物物理学家Cliff Brangwynne在回到德国马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所（MPI-CBG）的实验室后，进行了进一步的实验。他们将充满P颗粒的线虫性腺放置在两片薄玻璃中间，迅速将两片玻璃擦过。在切力作用下，固体成分将被涂抹开，但P颗粒相互融合、滴落，就像伞上的雨滴一样。
Hyman和Brangwynne此时意识到了这一现象的重要性。通过“相分离”，也许可以提供一种方式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”，Hyman表示生物学家此前从未严肃对待过这种方式，因此也没有做过定量研究。“这是一个人们没有想到问的问题。”他说。Hyman和Brangwynne在2009年发表了他们的研究结果。
自2009年之后，全球许多科学家都围绕细胞内的“相分离”展开研究。“相分离”形成的液滴可以形成特定环境加速生物学反应，也可以将不需要的物质隔离开。“‘相分离’属于那种刚知道的时候，凭直觉你就会意识到它其实非常有道理的概念。” 纽约城市大学高级科学研究中心生物物理学家Shana Elbaum-Garfinkle说。
“相分离”不仅是听起来有道理，实际上它在生物中非常常见。细菌、真菌、植物、动物体内都能发现蛋白质和RNA液滴。“相分离”一旦发生在错误的时点或位置，就可能造成阻塞或者特定分子的病理性聚集（如神经退行性疾病相关的分子），一些形成不良的液滴可能与肿瘤和衰老相关（具体见“细胞内的‘相分离’”）。“这一发现改变了我们对整个细胞生物学的认知。”Elbaum-Garfinkle说。
○ 图片来源：Nik Spencer/Nature
但有些研究人员认为现在说“相分离”在细胞中发挥重要作用，且可能与疾病相关为时尚早。他们认为这有可能只是化学相互作用的附带结果，对细胞力学无明显影响。“研究人员认为‘相分离’在细胞中能发挥怎样的作用不代表这些作用真的发生。”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。”
科研人员很想拿到实验证据。“现在这是一个价值上百万美元的重要问题，”密苏里州华盛顿大学的计算生物物理学家Rohit Pappu说，“这到底是细胞产生‘黏糊糊’分子的副产品，还是真的是大自然对于‘相分离’的妙用？”
“相分离”研究史
早在1899年，美国细胞生物学家Edmund Beecher Wilson提出细胞质可能包括“多种液体的混合”，其中有“不同化学性质的悬浮液滴”。二十世纪九十年代，研究人员开始探索“相分离”是否可能与疾病或者细胞构架相关。
但这些理论始终未成为主流观点。“因为它们绝大部分都是假设性的，”Harry Walter说， “从逻辑上讲这些理论说得通，但并没有确切的科学证据。” Walter退休前是加州退伍军人医疗中心的一名化学生物学家。
有的生物学家曾在特定的人工条件下观察到“相分离”，比如在制备蛋白质用于X线晶体学研究时。但他们并未对此多加关注，也没有想到这些现象可能和细胞质分区构架相关。
因此，Brangwynne和Hyman 2009年发表的关于线虫P颗粒的研究着实出乎人意料，不过各方对此的反应却不尽相同。“即便是研究线虫的生物学家对该报道的反应也不完全相同，有人认为这完全是胡说八道，也有人认为这项研究揭示了P颗粒的真正性质。”Dustin Updike说。他在缅因州MDI生物学实验室研究蛋白颗粒功能。在相关领域学术圈之外，则很少有科学家注意到这一发现。不过，很快就有更可信的实验证据证明“相分离”的确在细胞中发挥着重要作用。
2011年，Brangwynne在美国普林斯顿大学成立了自己的实验室，他和Hyman以及Mitchison共同发现核仁也有此前发现的“液滴”现象。（核仁是细胞核的一部分，包含遗传物质和多种蛋白质。）2012年，美国德州大学西南医学中心结构生物学家Michael Rosen和生物化学家Steven McKnight各自领导团队研究蛋白质和RNA分子，他们发现在试管中这些分子通过微弱的作用力形成小液滴或胶冻样小圆斑。
与Brangwynne和Hyman之前的研究不同，2012年的两项研究提示“相分离”能够通过简单的生物化学方法在试管内重现。“自此实验室内进行’相分离’研究变得了容易了许多，也是从这时候开始，这个领域有了突破性进展。”Rosen说。
这股研究热潮大约从2015年年初开始，当时加拿大多伦多儿童医院的结构生物学家Julie Forman-Kay带领团队发现，一种可能影响精子功能的蛋白质在人体细胞内形成液滴。2015年底，已有多项研究发现动物蛋白质存在“相分离”现象。“我们把这段时期称为‘研究井喷’。”Elbaum-Garfinkle说，他当时是Brangwynne实验室的博士后，也是当时研究热潮中一篇论文的第一作者。
○ HeLa细胞核中蛋白聚集、分离形成小液滴。比例尺：10 μm；时间单位：秒。| 图片来源：Nott, T. J. et al.
“研究井喷”期间研究的多种蛋白质与特定疾病相关。研究人员在一种运动神经元疾病，也就是肌萎缩侧索硬化（ALS）中观察到“相分离”。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。研究观察到沉积开始时这些蛋白质和其他分子混合，与周围的细胞质分离开，形成小液滴。这些小液滴粘性逐渐变强，最终变得非常坚硬。“这就像将室温下的液态蜂蜜放到冰箱里。”Paul Taylor解释说。他是美国田纳西州圣裘德儿童研究医院的分子神经遗传学专家，他观察到四种疾病相关蛋白存在“相分离”现象。
宾夕法尼亚大学蛋白质生物化学家Jim Shorter说，这些是关于异常“相分离”可能使液体变为固体从而导致疾病的最早的证据。细胞需要“相分离”将细胞内物质区分开，但如果“相分离”异常或过度就可能形成更稳定更难逆转的结构，这就可能导致疾病。
“相分离”在细胞中的作用
错误的“相分离”还可能导致其它几种疾病。上个月，麻省总医院的分子生物物理学家Susanne Wegmann和她的同事们发现阿尔茨海默病患者脑内异常沉积的tau蛋白也存在“相分离”。Wegmann说“相分离”可能是tau蛋白聚集的初始触发因素，这个发现可能将不同的神经退行性疾病联系起来。
“相分离”异常还可能导致某些肿瘤。去年，麻省总医院的分子病理学家Miguel Rivera和他的团队发现了一种与尤文肉瘤有关的蛋白。这种蛋白聚集在与肿瘤发生相关的基因组附近时可以激活致癌基因表达，而异常的“相分离”就可能促使这种蛋白在这些区域附近聚集。在上个月在旧金山召开的生物物理学会年会上，圣裘德医院的结构生物学家Tanja Mittag描述了为何一种蛋白质能够将液滴内的致癌分子隔离并破坏，但一旦它发生突变就无法形成液滴，就有可能导致肿瘤发生。
综合这些将“相分离”与肿瘤或神经退行性疾病联系起来的研究，Hyman和MPI-CBG的Simon Alberti提出，衰老相关疾病事实上也可能与细胞无法控制“相分离”相关。机体一直在努力保持正常细胞结构，但“在某个时点，整个体系就那么失控了”，Alberti说。
除了造成细胞损伤，“相分离”对细胞也有保护作用。今年，Hyman和Alberti发现在低pH的压力环境下，酵母细胞会启动保护机制，重要蛋白会聚集成液滴。当pH回升后，这些液滴会分散开，细胞恢复正常的功能。这个研究结果与此前芝加哥大学的分子和演化生物学家Allan Drummond的研究吻合。Drummond的研究发现酵母细胞中另外一种蛋白在高温情况下也会形成液滴以起到保护作用。
因此，Drummond说“相分离”可能是细胞感受环境刺激并进行反应的常用机制之一，就好像既是报警器，同时还能打开消防喷头。
在人体细胞中，形成液滴更多的是一种细胞构架方式。去年，加州大学旧金山分校生物化学家Geeta Narlikar和她的团队发现，“相分离”帮助封存人体部分基因组，这些基因组永久不会被激活，主要发挥结构性作用。香港科技大学结构生物学家Mingjie Zhang的团队发现，帮助大脑细胞接收信号的一种细胞机制是通过“相分离”建立的。
投下一束光
这类研究开始逐步揭示液滴在细胞中的一些作用，但是它们并不能解释为什么细胞中有的物质会出现“相分离”而其它物质则不会。这让包括Hyman在内的部分研究人员有些丧气。“我们需要明确驱动‘相分离’的分子原理。”他说。为此，研究人员就需要有能够在活细胞中发现、控制、调节“相分离”的方法。用Brangwynne的话说：“我们需要工具。”
进入普林斯顿大学一座上世纪七十年代的混凝土楼房，在三楼一间漆黑的没有窗的房间里，Lian Zhu正弯腰坐在显微镜前。电脑屏幕上显示一个人体细胞里有一个红色的液滴，每个红点都代表可形成核仁的“相分离”后的蛋白质。
Lian Zhu是Brangwynne实验室的PhD学生。她随后用蓝色激光照射细胞的某一位置，几秒钟之后，黑色背景中出现了新的液滴。她对核仁蛋白做了荧光标记，这些核仁蛋白和植物蛋白融合后，在蓝光照射下便会与周围同类型分子聚集。当聚集达到一定阈值就触发了“相分离”。
这就是Lian Zhu研究的细胞中发生的现象。屏幕上，那些红点在相互融合前不断跳动。“这就好像魔术一样。” 她说。通过改变光的剂量，Brangwynne的团队能够对活细胞内不同液体成分的聚集程度进行调控，使液滴出现或消失。Lian Zhu目前的研究就是通过这种方法记录核仁液滴形成的条件，以探索为何“相分离”只发生在核仁的某一个部分而不发生在其它部分。
Brangwynne希望这项“光液滴（optoDroplet）”技术能够为“相分离”领域的研究带来新的活力。“目前我们已经逐步实现了在活体细胞内进行定量研究，这是此前只有在非活体条件下可达到的研究程度。”Brangwynne说。这将极大推动基础生物学研究的发展。一旦知道了如何使液滴形成和破碎，科研人员就能在此基础上进行药物研发。
目前，已有一些旨在探索通过“相分离”手段治疗疾病的公司成立。比如，今年初加州大学旧金山分校的细胞生物学家Ron Vale成立了一家初创公司，并已获得种子资金用于药物研发，药物目标是破坏与神经退行性疾病（如运动神经元疾病、亨廷顿舞蹈病等）相关的RNA液滴。Taylor也有类似想法，正在与投资方洽谈。他计划成立的公司将使用一个目前还没发表的工具“光颗粒（Optogranule）”识别药物靶点，这个工具能够再现细胞中“相分离”相关病理表现和过程。这项技术的发明能够让研究人员在数小时内在培养皿里观察到神经退行性变的过程。
其他人则采用了一些指向性不那么明确的药物发现方法。比如，MPI-CPG的Hyman和Alberti对一小部分经批准的药物进行了盲筛，希望找到那些可能使蛋白质聚集物趋于液态化的化合物。他们目前已找到了约50种，下一步他们就将研究这些药物究竟是如何影响细胞功能的。
Brangwynne说“相分离”领域如果想要有真正的进步，研究人员需要明确液滴形成的规律，进而找到控制液滴的方法，“我们需要将目前的研究推进到下一个高度。”
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发表于 2018-5-5 05:50
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