原文以What lava lamps and vinaigrette can teach us about cell biology為標(biāo)題
發(fā)布在2018年3月14日的《自然》特寫(xiě)上
原文作者：Elie Dolgin
就如同水油相混，細(xì)胞里的不同成分也會(huì)相互分離，形成液滴，這就是所謂的“相分離”。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)“相分離”在細(xì)胞生物學(xué)中無(wú)處不在。
David Courson和Lindsay Moore抵達(dá)馬薩諸塞州伍茲霍爾進(jìn)行暑期科研訓(xùn)練時(shí)，原本打算利用這個(gè)機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并嘗試一下高端顯微鏡。作為研究生，他們從未想過(guò)自己將為解決一個(gè)困擾了科研人員長(zhǎng)達(dá)25年的生物學(xué)問(wèn)題提供新思路。
油滴藝術(shù)
Steve Pavlovsky/光液實(shí)驗(yàn)室
伍茲霍爾海洋生物實(shí)驗(yàn)室的導(dǎo)師交給他們的任務(wù)是觀察線蟲(chóng)卵中RNA和P顆粒（一種蛋白質(zhì)）小球是如何形成的，這是一個(gè)困擾了生物學(xué)家很久的大難題。在拍攝小球形成過(guò)程時(shí)，Courson、Moore和他們的導(dǎo)師發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非同尋常的現(xiàn)象，P顆粒像熔巖燈里的液滴一樣相互碰撞、融合。
只有液體才可能發(fā)生類似的現(xiàn)象。因此他們意識(shí)到，P顆粒并非大部分研究者所認(rèn)為的那樣是固體核心，它們就好似油醋汁里的油滴，劇烈搖晃之后分散成很小的液滴，而后又很快地融合形成大液滴。
這個(gè)過(guò)程叫做“液-液相分離”，是工程學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)中的基本概念。只要兩種液體間存在使它們分離的力，“相分離”就會(huì)發(fā)生，最常見(jiàn)的例子就是油漂在水面上?！跋喾蛛x”在自然界中很常見(jiàn)，對(duì)于許多工藝至關(guān)重要。但是當(dāng)時(shí)的Courson并未對(duì)此有很多了解，現(xiàn)在他已經(jīng)是弗吉尼亞州歐道明大學(xué)的一名細(xì)胞生物學(xué)家了。當(dāng)時(shí)他觀察到P顆粒像液體一樣融合的時(shí)候，他的描述是“那是一個(gè)干凈迅速的過(guò)程，但是我并沒(méi)有意識(shí)到這一現(xiàn)象的意義”。
暑期科研課程時(shí)間較短，他們沒(méi)有時(shí)間就這一過(guò)程進(jìn)行深入探索。但他們的導(dǎo)師——細(xì)胞生物學(xué)家Tony Hyman和他的博士后——生物物理學(xué)家Cliff Brangwynne在回到德國(guó)馬克斯·普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所（MPI-CBG）的實(shí)驗(yàn)室后，進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。他們將充滿P顆粒的線蟲(chóng)性腺放置在兩片薄玻璃中間，迅速將兩片玻璃擦過(guò)。在切力作用下，固體成分將被涂抹開(kāi)，但P顆粒相互融合、滴落，就像傘上的雨滴一樣。
Hyman和Brangwynne此時(shí)意識(shí)到了這一現(xiàn)象的重要性。通過(guò)“相分離”，也許可以提供一種方式讓細(xì)胞內(nèi)的特定分子聚集起來(lái)，從而在“混亂的”細(xì)胞內(nèi)部形成一定“秩序”，Hyman表示生物學(xué)家此前從未嚴(yán)肅對(duì)待過(guò)這種方式，因此也沒(méi)有做過(guò)定量研究。“這是一個(gè)人們沒(méi)有想到問(wèn)的問(wèn)題。”他說(shuō)。Hyman和Brangwynne在2009年發(fā)表了他們的研究結(jié)果。
自2009年之后，全球許多科學(xué)家都圍繞細(xì)胞內(nèi)的“相分離”展開(kāi)研究。“相分離”形成的液滴可以形成特定環(huán)境加速生物學(xué)反應(yīng)，也可以將不需要的物質(zhì)隔離開(kāi)。“‘相分離’屬于那種剛知道的時(shí)候，憑直覺(jué)你就會(huì)意識(shí)到它其實(shí)非常有道理的概念。” 紐約城市大學(xué)高級(jí)科學(xué)研究中心生物物理學(xué)家Shana Elbaum-Garfinkle說(shuō)。
“相分離”不僅是聽(tīng)起來(lái)有道理，實(shí)際上它在生物中非常常見(jiàn)。細(xì)菌、真菌、植物、動(dòng)物體內(nèi)都能發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)和RNA液滴。“相分離”一旦發(fā)生在錯(cuò)誤的時(shí)點(diǎn)或位置，就可能造成阻塞或者特定分子的病理性聚集（如神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的分子），一些形成不良的液滴可能與腫瘤和衰老相關(guān)（具體見(jiàn)“細(xì)胞內(nèi)的‘相分離’”）?！斑@一發(fā)現(xiàn)改變了我們對(duì)整個(gè)細(xì)胞生物學(xué)的認(rèn)知?！盓lbaum-Garfinkle說(shuō)。
圖片來(lái)源：Nik Spencer/Nature
但有些研究人員認(rèn)為現(xiàn)在說(shuō)“相分離”在細(xì)胞中發(fā)揮重要作用，且可能與疾病相關(guān)為時(shí)尚早。他們認(rèn)為這有可能只是化學(xué)相互作用的附帶結(jié)果，對(duì)細(xì)胞力學(xué)無(wú)明顯影響?！把芯咳藛T認(rèn)為‘相分離’在細(xì)胞中能發(fā)揮怎樣的作用不代表這些作用真的發(fā)生。”哈佛醫(yī)學(xué)院的細(xì)胞生物學(xué)家Tim Mitchison說(shuō)，“這些現(xiàn)在只能說(shuō)是想法或者假設(shè)，并不是真的證據(jù)?！?/p>
科研人員很想拿到實(shí)驗(yàn)證據(jù)。“現(xiàn)在這是一個(gè)價(jià)值上百萬(wàn)美元的重要問(wèn)題，”密蘇里州華盛頓大學(xué)的計(jì)算生物物理學(xué)家Rohit Pappu說(shuō)，“這到底是細(xì)胞產(chǎn)生‘黏糊糊’分子的副產(chǎn)品，還是真的是大自然對(duì)于‘相分離’的妙用？”
“相分離”研究史
早在1899年，美國(guó)細(xì)胞生物學(xué)家Edmund Beecher Wilson提出細(xì)胞質(zhì)可能包括“多種液體的混合”，其中有“不同化學(xué)性質(zhì)的懸浮液滴”。二十世紀(jì)九十年代，研究人員開(kāi)始探索“相分離”是否可能與疾病或者細(xì)胞構(gòu)架相關(guān)。
但這些理論始終未成為主流觀點(diǎn)?！耙?yàn)樗鼈兘^大部分都是假設(shè)性的，”Harry Walter說(shuō)， “從邏輯上講這些理論說(shuō)得通，但并沒(méi)有確切的科學(xué)證據(jù)?！?Walter退休前是加州退伍軍人醫(yī)療中心的一名化學(xué)生物學(xué)家。
有的生物學(xué)家曾在特定的人工條件下觀察到“相分離”，比如在制備蛋白質(zhì)用于X線晶體學(xué)研究時(shí)。但他們并未對(duì)此多加關(guān)注，也沒(méi)有想到這些現(xiàn)象可能和細(xì)胞質(zhì)分區(qū)構(gòu)架相關(guān)。
因此，Brangwynne和Hyman 2009年發(fā)表的關(guān)于線蟲(chóng)P顆粒的研究著實(shí)出乎人意料，不過(guò)各方對(duì)此的反應(yīng)卻不盡相同?！凹幢闶茄芯烤€蟲(chóng)的生物學(xué)家對(duì)該報(bào)道的反應(yīng)也不完全相同，有人認(rèn)為這完全是胡說(shuō)八道，也有人認(rèn)為這項(xiàng)研究揭示了P顆粒的真正性質(zhì)。”Dustin Updike說(shuō)。他在緬因州MDI生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究蛋白顆粒功能。在相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)圈之外，則很少有科學(xué)家注意到這一發(fā)現(xiàn)。不過(guò)，很快就有更可信的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明“相分離”的確在細(xì)胞中發(fā)揮著重要作用。
2011年，Brangwynne在美國(guó)普林斯頓大學(xué)成立了自己的實(shí)驗(yàn)室，他和Hyman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。（核仁是細(xì)胞核的一部分，包含遺傳物質(zhì)和多種蛋白質(zhì)。）2012年，美國(guó)德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Michael Rosen和生物化學(xué)家Steven McKnight各自領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)研究蛋白質(zhì)和RNA分子，他們發(fā)現(xiàn)在試管中這些分子通過(guò)微弱的作用力形成小液滴或膠凍樣小圓斑。
與Brangwynne和Hyman之前的研究不同，2012年的兩項(xiàng)研究提示“相分離”能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的生物化學(xué)方法在試管內(nèi)重現(xiàn)?！白源藢?shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行’相分離’研究變得了容易了許多，也是從這時(shí)候開(kāi)始，這個(gè)領(lǐng)域有了突破性進(jìn)展?！盧osen說(shuō)。
這股研究熱潮大約從2015年年初開(kāi)始，當(dāng)時(shí)加拿大多倫多兒童醫(yī)院的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Julie Forman-Kay帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一種可能影響精子功能的蛋白質(zhì)在人體細(xì)胞內(nèi)形成液滴。2015年底，已有多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)物蛋白質(zhì)存在“相分離”現(xiàn)象?！拔覀儼堰@段時(shí)期稱為‘研究井噴’?！盓lbaum-Garfinkle說(shuō)，他當(dāng)時(shí)是Brangwynne實(shí)驗(yàn)室的博士后，也是當(dāng)時(shí)研究熱潮中一篇論文的第一作者。
HeLa細(xì)胞核中蛋白聚集、分離形成小液滴。比例尺：10 μm；時(shí)間單位：秒。
Nott, T. J. et al.
“研究井噴”期間研究的多種蛋白質(zhì)與特定疾病相關(guān)。研究人員在一種運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病，也就是肌萎縮側(cè)索硬化（ALS）中觀察到“相分離”。這是一種神經(jīng)退行性病變，主要特點(diǎn)是控制運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)細(xì)胞中蛋白質(zhì)異常沉積。研究觀察到沉積開(kāi)始時(shí)這些蛋白質(zhì)和其他分子混合，與周圍的細(xì)胞質(zhì)分離開(kāi)，形成小液滴。這些小液滴粘性逐漸變強(qiáng)，最終變得非常堅(jiān)硬?！斑@就像將室溫下的液態(tài)蜂蜜放到冰箱里?！盤aul Taylor解釋說(shuō)。他是美國(guó)田納西州圣裘德兒童研究醫(yī)院的分子神經(jīng)遺傳學(xué)專家，他觀察到四種疾病相關(guān)蛋白存在“相分離”現(xiàn)象。
賓夕法尼亞大學(xué)蛋白質(zhì)生物化學(xué)家Jim Shorter說(shuō)，這些是關(guān)于異?！跋喾蛛x”可能使液體變?yōu)楣腆w從而導(dǎo)致疾病的最早的證據(jù)。細(xì)胞需要“相分離”將細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)區(qū)分開(kāi)，但如果“相分離”異?；蜻^(guò)度就可能形成更穩(wěn)定更難逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，這就可能導(dǎo)致疾病。
“相分離”在細(xì)胞中的作用
錯(cuò)誤的“相分離”還可能導(dǎo)致其它幾種疾病。上個(gè)月，麻省總醫(yī)院的分子生物物理學(xué)家Susanne Wegmann和她的同事們發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病患者腦內(nèi)異常沉積的tau蛋白也存在“相分離”。Wegmann說(shuō)“相分離”可能是tau蛋白聚集的初始觸發(fā)因素，這個(gè)發(fā)現(xiàn)可能將不同的神經(jīng)退行性疾病聯(lián)系起來(lái)。
“相分離”異常還可能導(dǎo)致某些腫瘤。去年，麻省總醫(yī)院的分子病理學(xué)家Miguel Rivera和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種與尤文肉瘤有關(guān)的蛋白。這種蛋白聚集在與腫瘤發(fā)生相關(guān)的基因組附近時(shí)可以激活致癌基因表達(dá)，而異常的“相分離”就可能促使這種蛋白在這些區(qū)域附近聚集。在上個(gè)月在舊金山召開(kāi)的生物物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，圣裘德醫(yī)院的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Tanja Mittag描述了為何一種蛋白質(zhì)能夠?qū)⒁旱蝺?nèi)的致癌分子隔離并破壞，但一旦它發(fā)生突變就無(wú)法形成液滴，就有可能導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。
綜合這些將“相分離”與腫瘤或神經(jīng)退行性疾病聯(lián)系起來(lái)的研究，Hyman和MPI-CBG的Simon Alberti提出，衰老相關(guān)疾病事實(shí)上也可能與細(xì)胞無(wú)法控制“相分離”相關(guān)。機(jī)體一直在努力保持正常細(xì)胞結(jié)構(gòu)，但“在某個(gè)時(shí)點(diǎn)，整個(gè)體系就那么失控了”，Alberti說(shuō)。
除了造成細(xì)胞損傷，“相分離”對(duì)細(xì)胞也有保護(hù)作用。今年，Hyman和Alberti發(fā)現(xiàn)在低pH的壓力環(huán)境下，酵母細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制，重要蛋白會(huì)聚集成液滴。當(dāng)pH回升后，這些液滴會(huì)分散開(kāi)，細(xì)胞恢復(fù)正常的功能。這個(gè)研究結(jié)果與此前芝加哥大學(xué)的分子和演化生物學(xué)家Allan Drummond的研究吻合。Drummond的研究發(fā)現(xiàn)酵母細(xì)胞中另外一種蛋白在高溫情況下也會(huì)形成液滴以起到保護(hù)作用。
因此，Drummond說(shuō)“相分離”可能是細(xì)胞感受環(huán)境刺激并進(jìn)行反應(yīng)的常用機(jī)制之一，就好像既是報(bào)警器，同時(shí)還能打開(kāi)消防噴頭。
在人體細(xì)胞中，形成液滴更多的是一種細(xì)胞構(gòu)架方式。去年，加州大學(xué)舊金山分校生物化學(xué)家Geeta Narlikar和她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，“相分離”幫助封存人體部分基因組，這些基因組永久不會(huì)被激活，主要發(fā)揮結(jié)構(gòu)性作用。香港科技大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Mingjie Zhang的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，幫助大腦細(xì)胞接收信號(hào)的一種細(xì)胞機(jī)制是通過(guò)“相分離”建立的。
投下一束光
這類研究開(kāi)始逐步揭示液滴在細(xì)胞中的一些作用，但是它們并不能解釋為什么細(xì)胞中有的物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)“相分離”而其它物質(zhì)則不會(huì)。這讓包括Hyman在內(nèi)的部分研究人員有些喪氣。“我們需要明確驅(qū)動(dòng)‘相分離’的分子原理?！彼f(shuō)。為此，研究人員就需要有能夠在活細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)、控制、調(diào)節(jié)“相分離”的方法。用Brangwynne的話說(shuō)：“我們需要工具?！?/p>
進(jìn)入普林斯頓大學(xué)一座上世紀(jì)七十年代的混凝土樓房，在三樓一間漆黑的沒(méi)有窗的房間里，Lian Zhu正彎腰坐在顯微鏡前。電腦屏幕上顯示一個(gè)人體細(xì)胞里有一個(gè)紅色的液滴，每個(gè)紅點(diǎn)都代表可形成核仁的“相分離”后的蛋白質(zhì)。
Lian Zhu是Brangwynne實(shí)驗(yàn)室的PhD學(xué)生。她隨后用藍(lán)色激光照射細(xì)胞的某一位置，幾秒鐘之后，黑色背景中出現(xiàn)了新的液滴。她對(duì)核仁蛋白做了熒光標(biāo)記，這些核仁蛋白和植物蛋白融合后，在藍(lán)光照射下便會(huì)與周圍同類型分子聚集。當(dāng)聚集達(dá)到一定閾值就觸發(fā)了“相分離”。
這就是Lian Zhu研究的細(xì)胞中發(fā)生的現(xiàn)象。屏幕上，那些紅點(diǎn)在相互融合前不斷跳動(dòng)?！斑@就好像魔術(shù)一樣?！?她說(shuō)。通過(guò)改變光的劑量，Brangwynne的團(tuán)隊(duì)能夠?qū)罴?xì)胞內(nèi)不同液體成分的聚集程度進(jìn)行調(diào)控，使液滴出現(xiàn)或消失。Lian Zhu目前的研究就是通過(guò)這種方法記錄核仁液滴形成的條件，以探索為何“相分離”只發(fā)生在核仁的某一個(gè)部分而不發(fā)生在其它部分。
Brangwynne希望這項(xiàng)“光液滴（optoDroplet）”技術(shù)能夠?yàn)椤跋喾蛛x”領(lǐng)域的研究帶來(lái)新的活力?！澳壳拔覀円呀?jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了在活體細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行定量研究，這是此前只有在非活體條件下可達(dá)到的研究程度?！盉rangwynne說(shuō)。這將極大推動(dòng)基礎(chǔ)生物學(xué)研究的發(fā)展。一旦知道了如何使液滴形成和破碎，科研人員就能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行藥物研發(fā)。
目前，已有一些旨在探索通過(guò)“相分離”手段治療疾病的公司成立。比如，今年初加州大學(xué)舊金山分校的細(xì)胞生物學(xué)家Ron Vale成立了一家初創(chuàng)公司，并已獲得種子資金用于藥物研發(fā)，藥物目標(biāo)是破壞與神經(jīng)退行性疾病（如運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病、亨廷頓舞蹈病等）相關(guān)的RNA液滴。Taylor也有類似想法，正在與投資方洽談。他計(jì)劃成立的公司將使用一個(gè)目前還沒(méi)發(fā)表的工具“光顆粒（Optogranule）”識(shí)別藥物靶點(diǎn)，這個(gè)工具能夠再現(xiàn)細(xì)胞中“相分離”相關(guān)病理表現(xiàn)和過(guò)程。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明能夠讓研究人員在數(shù)小時(shí)內(nèi)在培養(yǎng)皿里觀察到神經(jīng)退行性變的過(guò)程。
其他人則采用了一些指向性不那么明確的藥物發(fā)現(xiàn)方法。比如，MPI-CPG的Hyman和Alberti對(duì)一小部分經(jīng)批準(zhǔn)的藥物進(jìn)行了盲篩，希望找到那些可能使蛋白質(zhì)聚集物趨于液態(tài)化的化合物。他們目前已找到了約50種，下一步他們就將研究這些藥物究竟是如何影響細(xì)胞功能的。
Brangwynne說(shuō)“相分離”領(lǐng)域如果想要有真正的進(jìn)步，研究人員需要明確液滴形成的規(guī)律，進(jìn)而找到控制液滴的方法，“我們需要將目前的研究推進(jìn)到下一個(gè)高度。”?
Nature|doi:10.1038/d41586-018-03070-2
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