细胞内部无膜细胞器的液滴现象
文摘
2023-04-10 10:46
浙江
文献信息：Considerations and Challenges in
Studying Liquid-Liquid Phase Separatio and Biomolecular CondensatesCell. 2019 Jan 24;176(3):419-434本周给小伙伴们介绍的是一篇发表在Cell上的介绍细胞内部相分离和凝结情况的一篇Guideline属性的文章。本篇文章的受邀作者是德国马普所 Simon Alberti 教授团队，Simon在2010起在德累斯顿马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所（MPI-CBG）开始了他的独立科学家职业生涯，在那里他担任研究小组负责人直到2018年，2018年起他前往德国德累斯顿工业大学生物技术中心（BIOTEC），分子和细胞生物工程中心（CMCB）担任细胞生物化学教授和主席。马普所全程马斯克普朗克研究所类似于中科院的结构体系，更偏向于基础研究，但体质与中科院并不相同，是德国顶级的研究所。由开头的GIF可以看到，液体内部的相分离，不同的相分离成不同的droplet。今天由于是生物类型的文章，考虑到我的受众类型，本篇推文不对综述的内容做过多的介绍，就先对一些专有名词进行一下介绍，帮大家了解一下新知识。相分离 (phase separation) 本身是一个物理化学概念，二元或多元混合物会在一定的条件下分离为不同的相。生活中可以见到水上漂浮的油滴，就是一种相分离现象。一共两种相，即水和油，由于都是液体，也叫液液相分离（LLPS，liquid-liquid phase separation）。生物进化过程中，在细胞内会用膜分割一些执行特定生物学功能的空间，称为有膜细胞器，这其中就有我们熟悉的线粒体，高尔基体等。这样的好处是方便构建特定反应体系和反应环境，并避免膜内蛋白或反应物质影响外界环境。比如，线粒体的细胞色素 C 如果释放到胞质内，将导致细胞凋亡。最为神秘的就是无膜细胞器，无膜细胞器在一些研究中也叫液滴（liquid droplet）或者是液态凝聚体（liquid condensates）。无膜细胞器的概念最早在1830s就被提出了(Valentin, 1836; Wagner, 1835)，它们在没有膜的束缚下，可以形成与外界环境隔离的稳定反应空间，并可以发生频繁物质交换。下图中展示了目前大家已发现的部分无膜细胞器。在生物化学中，生物分子缩合物是一类无膜细胞器和细胞器子结构域，它们在细胞内执行特殊功能。与许多细胞器不同，生物分子冷凝物组成不受束缚膜的控制。相反，缩合物可以通过一系列不同的过程形成和维持组织，其中最著名的是蛋白质，RNA和其他生物聚合物的相分离成胶体乳液，凝胶，液晶，固体晶体或细胞内的聚集体。Liquid-liquid Phase Separation液-液相分离（LLPS）产生一种称为乳液的胶体亚型，可以从液体中的大液滴聚结。液-液相分离过程中分子的有序可以产生液晶而不是乳液。在细胞中，LLPS产生生物分子冷凝物的液体亚类，其表现为乳液或液晶。术语生物分子凝聚物是在细胞内组装的上下文中引入的，作为一个方便且非排他性的术语来描述生物分子的非化学计量组装。这里的语言选择是具体而重要的。有人提出，许多生物分子缩合物通过液-液相分离（LLPS）形成生物体中的胶体乳液或液晶，而不是液固相分离在凝胶中形成晶体/聚集体，细胞内的溶胶或悬浮液或细胞外分泌物。 然而，明确证明细胞体通过液-液相分离形成具有挑战性，因为在活细胞中并不总是容易区分不同的物质状态（液体、凝胶和固体）。术语“生物分子凝聚物” 直接解决了这一挑战，既不假设实现组装的物理机制，也不假设由此产生的组装的材料状态。因此，通过液-液相分离形成的细胞体是生物分子冷凝物的一个子集，组装的物理起源未知的细胞也是如此。从历史上看，许多在显微镜下鉴定的细胞非膜结合区室都属于生物分子冷凝物的广泛保护伞。![]()
细胞内部液滴相分离的形态，是由David Courson 和 Lindsay Moore 两位研究生新生发现的，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，他们导师给他们布置的课题是观察线虫卵中RNA和P颗粒的形成，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。在实验中，他们观察到 P 颗粒类似于游走在细胞质内的液滴，会互相碰撞，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。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。![]()
Evidence is now mounting that
liquid-liquid phase separation (LLPS) underlies the formation of membraneless
compartments in cells. This realization has motivated major efforts to
delineate the function of such biomolecular condensates in normal cells and
their roles in contexts ranging from development to age-related disease. There
is great interest in understanding the underlying biophysical principles and
the specific properties of biological condensates with the goal of bringing
insights into a wide range of biological processes and systems. The explosion
of physiological and pathological contexts involving LLPS requires clear
standards for their study. Here, we propose guidelines for rigorous
experimental characterization of LLPS processes in vitro and in cells, discuss
the caveats of common experimental approaches, and point out experimental and theoretical gaps in the field.如上图，系统在两相状态，一般分为轻相（C = CL）和稠相（ c = CD），极端条件下，只能形成图中 1，5 的单相状态，也就是只有轻相（light phase），稠相（dense phase）。不同的条件下，可以形成图中 2，3，4 这几种两相状态，并可以根据条件互相转换。需要注意的是相分离是一种高度动态的现象。除了上述常见的液滴状态，液液相分离可能转变为凝胶状态，并且该状态不可逆转。比如，阿尔兹海默症等体内形成的amyloid-like fibers的形成可能与之相关。异常的液-固相分离也会导致的渐冻人症。在体外实验中，FUS 朊病毒样蛋白会与其他分子形成小液滴，并逐步增加液滴粘稠度，最终形成固相，导致病变。·用于快速传递、自适应和可逆响应，比如热胁迫适应性反应·形成物理化学和机械过滤结构，如核孔的孔径还由凝聚物分子数决定此外，现在认为影响相分离的力，包含多价阳离子-π、π-π、电荷相互作用和疏水效应等，这些特征与相分离能力有关。对于蛋白质，以多个折叠构成结构域的蛋白质（如 SH3 结构域）与含有内部无序区（IDR）的蛋白质会相互作用。因此，利用生物序列，化合价以及结构特征，可以预测蛋白的相分离能力和饱和浓度。其中，IDR 是相分离蛋白中一种常见的结构域。在其一级序列中的疏水氨基酸会调控相分离中的浓度，而带电氨基酸又会影响凝聚物的出现。因此，可以通过一级序列推断蛋白质相分离能力，相变临界浓度等。对于 RNA，含有 IDR 区域的蛋白质会有 RNA 结合结构域，RNA 也会有蛋白质结合序列。利用 RNA 与 蛋白质的结合特征也可以预测相分离能力。
