细胞里的神秘“水滴”被发现！攻克多种疑难病的“钥匙”？

作者：段跃初 黄湘红

据科学美国人 2024 年 8 月 14 日 报道：在生命的微观世界中，细胞是一切生命活动的基本单位。而在细胞内部，存在着一些神秘的水滴，即生物分子凝聚物，它们正逐渐揭开生命奥秘的面纱，为生物学研究带来全新的视角和突破。

所有生物皆由细胞构成，细胞内部有着复杂而精妙的结构。除了我们熟知的被膜包围的细胞器，如线粒体、细胞核等，还有一类无膜的细胞器——生物分子凝聚物。在过去的十年中，生物学家逐渐认识到，这些看似微小的液滴在细胞功能中扮演着比以往所认知的更为重要的角色。

细胞生物学的教科书式描述往往侧重于那些具有明确膜结构的细胞器，然而，这种描述是不完整的。生物分子凝聚物的发现，让我们对细胞的内部世界有了更全面的理解。它们就像细胞内的“小社区”，浓缩着蛋白质或其他生物分子，执行着特定的任务。这些液滴的存在并非偶然，而是细胞在漫长的进化过程中形成的一种高效的组织和调控方式。

生物分子凝聚物的物理学原理充满了神秘色彩。热力学，这个物理学中研究热与其他形式能量关系的分支，为我们理解液液相分离提供了理论基础。以常见的油和水为例，当两者混合后，在一定条件下会自动分离成两个不同的相。类似地，当细胞内的蛋白质、DNA 或 RNA 等分子以高浓度聚集时，也可能发生相分离，形成生物分子凝聚物。但与简单的油水分层不同，细胞内的许多凝聚物是动态变化的，它们暂时存在，随着细胞的需求和环境的变化而形成或消失。

在生物分子凝聚物的研究历史中，有着众多先驱者的足迹。早在 1782 年，丹麦自然学家奥托·弗雷德里克·穆勒就观察并绘制了绿藻中的类核蛋白，这是已知最早的生物分子凝聚物之一。随后，在 19 世纪 30 年代，德国生理学家鲁道夫·瓦格纳和加布里埃尔·瓦伦丁对神经细胞核内的微小结构进行了观察。1899 年，美国生物学家埃德蒙·B·威尔逊提出了细胞细胞质并非均匀液体的观点。而到了 2009 年，一项具有里程碑意义的研究首次直接证明了生物分子凝聚物可以在活细胞内形成。

对于像特雷弗·格兰普雷这样的研究者来说，他们的研究之旅充满了挑战与惊喜。格兰普雷以生物学专业入学，却被物理学的定量本质所吸引。他致力于研究细胞内的相分离现象，尤其是在 T 细胞内形成的凝结物。通过与合作者的共同努力，他们揭示了特殊类型凝聚体在细胞中形成的复杂过程，为深入理解细胞的免疫调节机制提供了重要线索。

生物分子凝聚物的形成机制是多样的。一方面，合适的条件可以促进化学键的形成，使单个蛋白质分子能够彼此键合，从而形成凝聚物。另一方面，含有本质无序区（IDR）的蛋白质，由于其氨基酸序列的高度重复性以及电荷分布的特点，也能够通过与水的复杂相互作用以及与其他氨基酸的吸引或排斥，形成单独的相。此外，还有一些凝聚物是通过耗能的“主动”过程形成的。例如，莎伦·格洛泽的研究表明，在特定的化学反应条件下，中心体这一有助于协调细胞分裂的液状细胞结构能够稳定存在，其大小和数量与化学反应中使用的能量密切相关。

细胞内的神秘液滴在多种疾病中扮演着重要角色。在神经退行性疾病中，如肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）、阿尔茨海默病和帕金森病，异常的蛋白质相变和凝聚体形成是导致神经细胞功能障碍和死亡的重要原因。以 ALS 为例，编码 FUS 的基因突变会导致遗传性 ALS，其在试管实验中的变异形式的凝集物类似于患者脑组织中的 FUS 蛋白团。随着时间的推移，这些液滴的性质发生变化，变得更加密集，需要更大的力量才能变形。类似的过程也可能出现在其他神经退行性疾病中，如阿尔茨海默病中的淀粉样纤维形成和帕金森病中的核糖核蛋白沉积。这提示我们，正常的生理条件支持这些蛋白质的液态，而疾病的发生可能与从液态向固态聚集态的转变有关。

在癌症研究中，某些癌症相关的蛋白质可能通过形成凝聚物来调节细胞的增殖、分化和凋亡等过程。例如，参与肿瘤细胞耐受性的关键通路蛋白 yap 会发生相变并生成生物分子凝聚体，过多 yap 凝聚体的形成与耐受性产生密切相关。通过抑制其形成，有望为癌症治疗提供新的策略。

心血管疾病方面，一些与心血管功能相关的蛋白质凝聚物的异常可能影响心脏和血管的正常生理功能，但其具体机制仍有待进一步研究。

为了深入研究生物分子凝聚物在疾病中的作用，科学家们采用了多种先进的技术手段。基因编辑技术，如 CRISPR-Cas9，能够精确地改变与凝聚物形成相关的基因，从而观察基因的变化对疾病模型的影响。蛋白质组学分析则利用质谱等技术，全面检测疾病状态下细胞内蛋白质的组成和变化，特别是与凝聚物相关的蛋白质。高分辨率显微镜技术，包括共聚焦显微镜、超分辨显微镜等，让我们能够直接观察细胞内凝聚物的细微形态、分布和动态变化。

活细胞成像技术结合荧光标记，使我们可以在细胞保持生理活性的状态下，对生物分子凝聚物进行长时间的实时观测。荧光共振能量转移（FRET）技术通过检测荧光分子之间的能量转移，揭示凝聚物中分子间的相互作用。全内反射荧光显微镜（TIRF）能够选择性地激发靠近细胞膜表面的荧光分子，有助于观察细胞表面附近的凝聚物。荧光寿命成像（FLIM）则通过测量荧光分子的寿命变化来反映其周围环境和相互作用的改变。双光子激发荧光显微镜使用长波长的激光激发荧光分子，减少对细胞的光损伤，适用于长时间的实时观测。光片荧光显微镜能够快速获取高分辨率的三维图像，对于研究凝聚物在细胞内的空间分布和动态变化具有独特优势。

除了在疾病研究中的重要性，生物分子凝聚物的新物理学在其他领域也有着广泛的应用前景。在染色质组装的研究中，发现核小体的乙酰化修饰可以招募特定蛋白质，形成新的液相，从而动态调控染色质的组装。在细胞骨架的形成过程中，某些与肌动蛋白结合的蛋白质能够发生液-液相分离现象，自我组装形成平面 f-actin 网络，作为形核中心将多根微丝粘连成捆。在果蝇的个体发育研究中，参与神经母细胞不对称分裂的生物分子凝聚体能够不对称地分布在细胞两极，对神经细胞的分化起到关键作用。在神经突触的形成与变化中，蛋白质之间的相互作用引发相分离，“沉积”到脂质膜表面参与神经递质的信号传导，甚至与人的睡眠和意识等复杂生理过程密切相关。

总的来说，生物分子凝聚物的新物理学为我们打开了一扇通向细胞内部微观世界的新窗口。虽然我们对其的认识还处于不断发展和完善的阶段，但随着研究的深入和技术的进步，我们有理由相信，这一领域的研究将为人类理解生命的奥秘、攻克各种疾病以及推动生物科学的发展带来前所未有的机遇和突破。未来，我们期待更多关于生物分子凝聚物的神秘面纱被揭开，为人类健康和科学进步贡献更多的力量。