调味瓶中的细胞生物学

水滴艺术图片来源:史蒂夫·帕夫洛夫斯基/液体光实验室

任何与衰老相关的疾病都可能始于细胞失去对相分离的控制。

当大卫·库尔森和林赛·摩尔到达马萨诸塞州的伍兹霍尔参加夏季交流项目时，他们希望尝试一些新技术，并看到高端显微镜。作为研究生，这两个人从来没有想过要帮助解决一个困扰研究者超过25年的生物学问题。

他们在海洋生物实验室的导师要求他们破译被称为P粒子的RNA和蛋白质聚集体是如何在蠕虫胚胎中形成的——这是一项困难的任务，因为这些结构长期以来一直困扰着生物学家。然而，当库尔森和摩尔开始拍摄这个过程的电影时，他们和他们的导师在显微镜下看到了一些不寻常的事情:就像熔岩灯中的气泡一样，P粒子不断碰撞和融合。

固体结构不能做到这一点，只有液体能做到。他们意识到，与大多数研究人员之前认为的不同，P粒子不是硬核。相反，它们的行为就像一个小瓶子里的油滴，被剧烈摇动，先是分散，然后迅速融合并混合成更大的液体气泡。

在工程、化学和物理领域，这个过程是一个叫做液-液分离的基本概念。当外力将两种液体分开时，就像浮在水面上的油一样。相分离在自然界中非常普遍，在许多工业过程中非常重要。然而，这不是奥斯曼大学的细胞生物学家库尔森的想法。当看到P粒子像液体一样融合时，“这真是一个神奇的时刻”。库尔森说，“但是我不明白它的意思。”

在短暂的夏季课程中，两人没有更多时间来分析这个过程。然而，当他们的导师——细胞生物学家托尼·海曼(Tony Hyman)和博士后生物物理学家克里夫·布朗温(Cliff Brangwynne)回到他们在德国马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所(MPI-CBG)的实验室时，他们两人进行了更多的实验:将充满磷颗粒的蠕虫性腺夹在两个薄玻璃板之间，然后滑动玻璃板。在滑动玻璃板产生的剪切应力下，固体会被轻轻揉捏出来，而P粒子会融合、滴落并形成珠子，就像雨水滴落在雨伞上一样。

直到那时，他们才意识到这一发现的重要性。相分离可以提供一种组装特定分子和排除其他分子的方法，从而在拥挤混乱的细胞中创造秩序。海曼说，这是生物学家在使用任何正式的定量方法进行研究时从未考虑过的壮举。"这是人们从未想过要问的几个问题之一。"Hyman和Brangwynne在2009年公布了他们的结果。

确认相分离

2011年，海曼、哈佛医学院细胞生物学家蒂姆·米切尔森(Tim Mitchison)和布兰文(Brangwynne)(他们在同一年在普林斯顿大学建立了自己的实验室)证实，细胞核中的核仁(一种由遗传物质和蛋白质组成的密集集群)也表现出类似水滴的行为。一年后，由德克萨斯大学西南医学中心的结构生物学家迈克尔·罗森和生物化学家史蒂文·麦克奈特领导的独立小组研究了试管中蛋白质和核糖核酸分子的聚集。他们发现这些分子相互间的吸引力很弱，因此形成了液滴和胶体气泡。

与Brangwynne和Hyman之前的工作不同，2012年进行的这些研究证实，使用相对简单的生化“处方”，相分离可以在试管中重现。罗森说，这使得在实验室里研究相分离变得容易得多，从那里，“磁场开始爆炸”

真正的繁荣始于2015年初。当时，由加拿大多伦多儿童医院的结构生物学家朱莉·福尔曼·凯领导的团队发现，一种对精子功能非常重要的蛋白质会在人体细胞中形成液滴。不到一年后，几个团队发表论文，用他们的“宠物”蛋白质来证实相分离的存在。

其中一些蛋白质与疾病的发生有关。研究人员在运动神经元疾病或肌萎缩性侧索硬化(ALS)中发现了相分离。肌萎缩侧索硬化是一种神经退行性疾病，其特征是控制运动的神经细胞中的蛋白质异常聚集。研究证实，当这些蛋白质与其他分子结合，与周围的细胞质分离并形成液滴时，形成团块的过程就开始了。这些气泡变得越来越粘，最终变得像岩石一样坚硬。“这就像把室温下的蜂蜜放进冰箱。”田纳西州圣犹大儿童研究医院的分子神经原学家保罗·泰勒说。他在四种与肌萎缩侧索硬化相关的蛋白质中发现了相分离。

错误的阶段或疾病

其他几种疾病也可能是由错误的阶段引起的。最近，马萨诸塞州总医院(MGH)的分子生物物理学家苏珊·魏格曼(Susanne Wegmann)及其同事描述了tau蛋白的相分离。Tau蛋白会在阿尔茨海默氏症患者的大脑中积累形成缠结。相分离“可能是这种聚集的初始触发因素”。魏格曼说，这一发现“开始将这些不同的神经退行性疾病联系起来。”

相位分离过程中的错误也可能引发一些癌症。去年，一个由MGH分子病理学家米格尔·里维拉领导的小组发现了一种与尤因肉瘤相关的蛋白质。当蛋白质聚集在与肿瘤形成相关的基因组片段附近时，它将刺激癌基因的活性。异常的相分离导致蛋白质在这些区域积累。在最近的旧金山美国生物物理学会年会上，来自圣犹大儿童研究医院的结构生物学家坦贾·米塔希概述了一种蛋白质如何在突变发生时引发癌症，因为液滴不再形成，这种蛋白质通常会分离并破坏液滴中的致癌分子。

这些研究促使海曼和MPI-CBG生物化学家西蒙·阿尔贝提提出，实际上任何衰老相关疾病都可能始于细胞失去对相分离的控制。阿尔贝提说，身体总是试图保持细胞“房子”有序，“但在某个时候，系统会崩溃。”

新工具带来新活力

这些研究指出了细胞中液滴的一些功能，但是它们不能解释为什么一些成分显示相分离，而另一些则没有。这让海曼这样的研究人员感到沮丧。"我们必须定义驱动相分离的分子规则."海曼说。为了实现这一点，研究人员需要一种方法来根据他们自己的意愿探测、控制和融合活细胞中的过程。正如布兰文所说，“我们需要工具。”

普林斯顿大学在一栋建于20世纪70年代的混凝土建筑的三楼有一间黑暗、没有窗户的房间。在那里，朱利安弯腰观察显微镜。一个布满红色气泡的人体细胞照亮了她的电脑屏幕。上面的每个点代表了相分离后形成核仁的一组蛋白质。

朱是布朗温实验室的博士生。他向牢房里的一个地方发射了蓝色激光。几秒钟内，新的气泡从黑色的乙醚中出现。这些是来自核仁的荧光标记蛋白质。当受到蓝光照射时，它们开始附着在这种类型的其他蛋白质上。当超过某个阈值时，将触发相位分离。

这正是朱所研究的细胞中所发生的情况。红点是在相互融合之前出现的小滴，在屏幕上“舞动”。“这就像一个魔术。”朱说。通过改变光的量，布兰文和他的团队可以固定或松开活细胞中的各种液体“隔间”，并触发液滴的出现或消失。利用这一工具，朱开始描述核仁液滴形成的条件，并证实了如何在核仁的一个部分发生相分离，而在其他部分不能发生相分离。

Brangwynne希望这个叫做optoDroplet的工具能给相分离研究带来新的活力。“现在，我们实际上可以接近非生物材料的非常标准的细节水平。你可以通过定量的方法了解实际发生了什么。”布兰文说。这可能是基础生物学研究的巨大推动力，并可能通过确认制造或破坏细胞内液滴所需的操作程度来帮助研究人员开发相关药物。(宗华编译)

中国科学新闻(2018-05-03第三版国际版)