作者：優選資本   郭宇鵬

生物大分子的“相變”是近幾年來生命科學領域里面發展非常迅速的熱門領域。這個領域最初的突破來自于Hyman和Brangwynne 2009年在Science發表了題為：Germline P granules are liquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation 的文章。文章提出了細胞是通過相分離，讓本應處于勻質狀態的細胞液對抗了熵增定律。這種特殊的現象讓細胞內的特定分子聚集起來，從而在“混亂的”細胞內部形成一定“秩序”，為困擾了大家多年的問題，提供了全新的思路。

物理化學中相（phase） 指的是體系內部物理和化學性質完全均勻的部分稱為相。相分氣相，液相和固相，分別對應氣態，液態和固態。（在這里我有一個疑問，等離子態，玻色一愛因斯坦凝聚態和費米子凝聚態也存在相嗎？希望知道的人可以不吝賜教。）相與相之間在指定條件下有明顯的界面，在界面上宏觀性質的改變是飛躍式的。

從更微觀的角度來說組成固體的分子全部被束縛在特定的位置上，只能進行震動而不能移動。分子之間的相對位置也是固定的，所以固體具有一定的形狀，無法輕易使其形變。組成液體的分子則可以自由的在液體內改變位置，所以液體表現出變形能力把它放在什么形狀的容器中它就有什么形狀，甚至可以流動。固體和液體的分子密度是類似的，所有分子均緊密的聚在一起，兩個相均難以壓縮。正是因為分子可以在液體內自由活動的特性，當一個溶液由多種分子組成的時候，其內部的所有分子都會因為相互碰撞而走出無法預測的軌跡也就是所謂的布朗運動。正是這種布朗運動讓絕大多數溶液（除了發生液液相分離外）遵循熵增定律趨向勻質狀態，就如同我們把咖啡和牛奶混在一起從而得到一杯拿鐵一樣。分子的密集程度和分子可以輕易改變位置的特點讓液相成為化學反應最理想的地方。

然而液體也可能不進行混合，我們管這個現象叫做液液相分離。液液相分離最初純粹是物理學中的概念，用來描述兩種混合后的液體相互分離的獨特現象。生活中液液相分離最常見的例子就是油與水。當我們把油與水混合攪拌后僅需靜置片刻，油與水會自動分離成兩層而不需要借助任何外力。只要兩種液體間存在使它們分離的力，“相分離”就會發生。本質上來講液液相分離是一種對現象的描述，并不涉及背后機制的解釋。

細胞是生物體結構和功能的基本單位，細胞內的各種物質如何在正確的時間以及空間上聚集以執行其相應的功能，是細胞在一系列基本的生命活動中需要解決的基本問題。細胞內環境非常復雜，擁有成百上千種分子。細胞是如何在如此復雜的環境中保持自身穩定、準確、高效的運轉，其中的機制尚不清楚。生物演化的一個重要特征是從相對均一的細胞質環境發展出多樣化的細胞器結構。細胞器本質上可以視作一個微型化學反應器，迥異的復雜化學反應在不同細胞器內部同時進行著，不同的細胞器內部擁有完全不同的結構/環境來加速或開啟其內部的化學反應。

這些細胞器有兩個顯著的特點：

（1）細胞器都有邊界，邊界內部與外部不同的環境不同。

（2）細胞器內部的蛋白或者分子可以在細胞器內部自由的擴散。大多數細胞器都有脂蛋白的膜作為分割內部與外部的工具，例如最常見的用于制造ATP的線粒體和用于降解蛋白質的溶酶體。有膜的細胞器是如何與其他細胞內物質共存并且工作，理解起來相對簡單直接。

然而有些細胞器并沒有這類膜結構，在絕大多數情況下，這些細胞結構呈現液態特征，例如可以相互融合，所以被稱為液滴 (liquid droplet) 或者是液態凝聚體 (liquid condensates)。最典型的案例莫過于生產核糖體的核仁。核仁這類無膜細胞器到底是如何在沒有膜結構的情況下維持穩定的自我存在一直是一個迷。這些細胞器一方面保證其內部的蛋白質和其他分子可以在其內部依據布朗運動自由擴散促成化學反應，另一方面又在其邊界上選擇性對特定的分子進行富集或排斥，從而使他與周圍環境隔離開。

對于生物系統而言這種富集和排斥至關重要，比如富集特定分子可以造成分子擁擠效應可以加速甚至開啟全新的化學反應。（關于分子擁擠請參考文章Macromolecular crowding and confinement: biochemical, biophysical, and potential physiological consequences.）排斥特定分子則可以限制分子運動，將不需要的物質隔離開從而抑制化學反應。液液相分離不僅能形成液滴狀的結構，部分蛋白質還能繼續轉變為膠狀物的形式。凝膠狀態的相分離經常不可逆轉。這種凝膠狀態可能為許多退行性神經疾病的蛋白質異常聚集提供了新的解釋，也為未來藥物的開發也提供了新的思路。

1830年第一個無膜細胞器在神經元細胞的細胞核內被發現并被命名為核仁。自此以后各種無膜細胞器在細胞核，細胞質和細胞膜上不斷被發現，基本上所有的真核細胞都有這類細胞器。在高分辨顯微鏡下，這些細胞器展現出了類似的形狀，動態和聚集方式，無論這些細胞器的構成分子，所處位置和功能有多大差別。無膜細胞器都是由多種分子構成的，這些細胞器會在數小時到數天內保持穩定并發揮其生物學功能。自從2009年Hyman和Brangwynne揭示P顆粒是通過液液相分離形成以后，2011年， Hyman和Brangwynne以及Mitchison共同發現核仁也有此前發現的“液滴”現象。2012年，美國德州大學西南醫學中心的兩名生物學家在分別研究蛋白質和RNA分子時發現在試管中的分子通過微弱的作用力形成小液滴或膠凍樣小圓斑。2012年的兩項研究說明液液相分離能夠在試管內重現。這個發現直接導致了2015年至今的液液相分離研究成果的井噴。

最近兩年大量的細胞通路被證明是通過相分離來執行其功能的。這些功能可以大致分成如下幾類：

（1）   液液相分離與感知環境的變化相關，并對環境的變化做出快速響應。如果處于臨界態附近，相變反應會在一瞬間出現，類似于細胞驟變現象 (switch-like behavior)，這種響應遠比通過細胞內的轉錄以及翻譯過程更加快速。美國西南大學研究團隊證明，mTORC1是通過感知氨基酸濃度后調節核糖體濃度來控制液液相分離。其他研究表明液液相分離也可以溫度/酸堿度/外源DNA等作出反應。

（2）   液液相分離可以將高濃度的蛋白以液滴的形式儲存在特定的位置，在細胞需要的時候將該蛋白釋放到細胞環境中。耶魯大學的科學家發現神經元細胞的突觸囊泡（synaptic vesicle）儲存分子用于神經突觸信號的傳遞。當信號到達時，突觸囊泡將它們的內含物釋放到突觸中，每個神經元能夠在稱為神經末梢的結構中儲存數千個囊泡。

（3）   液液相分離可以形成局部的高濃度蛋白，從而激活一些生化反應，激活相關信號轉導途徑以及促進細胞骨架的形成。同時在細胞質中抽離特定蛋白也可以抑制細胞內的一些生化反應

（4）   液液相分離可以從液滴狀態進入凝膠狀態，導致某些意想不到的變化。這方面研究最深入的則是肌萎縮側索硬化（ALS）的病理學特征。ALS患者通常帶有突變型的TIA1蛋白。TIA1蛋白石構成應激顆粒的基礎材料之一，應激顆粒的作用則是當細胞經歷高溫、化學品和老化等壓力刺激時扣留對生存關鍵過程非必要的細胞蛋白質。這些突變型蛋白構建的應激顆粒對比普通更粘稠，遲滯應激顆粒的正常分解。TDP-43蛋白也是構建應激顆粒的基礎材料之一，受突變型TIA1蛋白構成的應激顆粒的特點也解釋了為何ALS患者神經元中會有TDP-43聚合物的出現。

總體上來說液液相分離毫無疑問是一個偉大的發現。就如同跳入棋盤的蘋果，液液相分離給了我們一個全新的視角來審視生命的運行規律，讓去多曾經難以理解的現象變得可以被理解。但就如同上文提到的一樣，本質上來說液液相分離是一類現象。我們依然處于探索這些現象背后的機制的初期階段。而且就液液相分離在細胞中無處不在的狀態來看，大概率這里面有著復數規律等著科研人員去探索和理解。雖然目前我們還對這些機制不甚了解，但這些機制毋庸置疑將為調控蛋白功能，信號通路，細胞狀態提供新的途徑。

為調控例如transcript factor一類的undrugable靶點提供新的手段。目前在這方面推進的最快的以ALS為代表的退行性神經疾病，上一段提到的就是ALS病理學的最新進展。即便液液相分離依然屬于早期階段，但是已經有一些公司和研究機構開始在探索使用小分子來控制液液相分離。當然這些分子并不是依據機制或者蛋白晶體結構全新設計出來的，而是對老分子依據其調節液液相分離的能力進行篩選得到的，例如Lipoamide。

非常期待未來10-20年液液相分離能為生物學和醫學帶來改變世界的突破。

參考： 

1. Brangwynne, C.P., et al., Germline P granules are liquid droplets thatlocalize by controlled dissolution/condensation. Science, 2009. 324(5935): p. 1729-32.

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