來自 Quanta Magazine (在此處查詢原始報道)。
“如果你做出了一項發現，起初人們告訴你這不可能是正確的，然後他們最終轉而告訴你‘我們早就知道了’，那麼你可能就有所發現了。” 這句俏皮話一直縈繞在 克利福德·布蘭溫內的腦海中。對於這位普林斯頓大學的生物物理學家來說，這“完全發生在我們關於細胞內液相的發現上”。
想象一下具有不同性質的液體，它們不會真正混合，但在特定情況下會像熔岩燈中移動的液滴一樣聚集和分離。這種現象，也稱為液-液相分離，曾經被認為是一個完全的化學過程。但不到十年前，布蘭溫內成為最早觀察到它也發生在細胞內部的人之一，從那時起，生物學家一直在努力瞭解它的意義。
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現在科學家們開始理解，進化已經調整了某些蛋白質，使其像液體一樣聚集。透過相分離，它們自發地自組裝成動態的、無膜的、液滴狀的結構，這些結構可以在細胞中執行所需的任務。
“不知何故，沒有人想到分子的這種能力可以被進化利用來實現功能或調節功能，” 馬克斯·普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所 (MPICBG) 在德累斯頓的生物學家西蒙·阿爾貝蒂說。“焦點一直放在單個分子上，而不是集體上。”
同樣在德累斯頓的馬克斯·普朗克複雜系統物理研究所的生物物理學家瓦西里·扎布林達耶夫說，這項突破對我們理解細胞組織和功能具有重大意義。最新的發現之一是，當某些型別的細胞被剝奪營養或受到其他壓力時，相分離使它們能夠躲避死亡。相分離使細胞能夠將其細胞質的大部分從液體變成固體——本質上是將自己置於堅韌的靜止狀態，直到營養物質恢復。
沒有膜的細胞器
19 世紀的細胞生物學家創造了細胞器（拉丁語“小器官”）一詞來描述他們看到的細胞內部的微小成分。即使在當時，該領域的先驅，如美國細胞生物學家埃德蒙·比徹·威爾遜，也懷疑填充細胞的膠狀細胞質可能包含各種液體，“就像懸浮的液滴……具有不同的化學性質”。然而，這種早期的見解在生物學中幾乎一個世紀都沒有得到重視：研究人員只是假設任何液滴狀的細胞細胞器都必須有一個封裝的脂質膜，以防止其內容物與細胞質重新混合。
儘管如此，加州大學歐文分校的 L. 丹尼斯·史密斯和美國國家環境健康科學研究所的愛德華·米切爾·埃迪等研究人員在 20 世紀 60 年代和 70 年代早期的電子顯微鏡顯示，一些細胞器似乎根本沒有任何膜。人們繼續發現了更多無膜結構，例如核仁，細胞核中的緻密結構。然而，直到 2009 年，它們是如何以及為什麼形成的尚不清楚。
那一年，當布蘭溫內還是 MPICBG 的一位年輕博士後時，他和他的同事克里斯蒂安·埃克曼以及他的導師託尼·海曼看到了一些意想不到的事情。他們正在觀察秀麗隱杆線蟲細胞內稱為 P 顆粒的細胞器的不均勻和不一致的分佈。P 顆粒被廣泛認為是 RNA 和蛋白質的緻密顆粒。但布蘭溫內、埃克曼和海曼發現，顆粒根本不是固體的。相反，它們似乎是正在聚結的液滴，有時會形成更大的液滴，就像充分搖勻的油醋汁中的油一樣。
“這是一個偶然的發現，”布蘭溫內說。“當我們發現它們是液體時，我們一直在進行的一些定量測量突然變得完全有意義了。” 它也改變了生物學家對細胞工作方式的理解。
布蘭溫內、埃克曼和海曼的最初工作引發了大量論文，研究了各種細胞質蛋白在各種條件下的組裝和分散。越來越多的證據表明，細胞已經進化出一種微調的機制，透過相分離來組織其一些內部結構和過程——也就是說，讓蛋白質自組裝成可以執行不同功能的結構。
德克薩斯大學西南醫學中心達拉斯分校的結構生物學家和生物物理學系主任邁克爾·羅森是第一個在實驗室中用某些蛋白質和 RNA 分子重現這種相分離的人，這些蛋白質和 RNA 分子可以聚結成液滴。相分離似乎為蛋白質提供了一種可逆的方式，使其在條件合適時能夠排列和再次分離。
然而，在某些情況下，研究人員正在瞭解到，這個過程是不可逆的——而這種失敗代表了與包括神經退行性疾病和癌症在內的廣泛疾病相關的蛋白質的功能障礙。例如，扎布林達耶夫觀察到，與某些疾病相關的蛋白質的幾種突變形式表現出異常的相分離行為。“它們不是形成漂亮的液滴，而是形成非常奇怪的刺蝟狀結構，”他說。
凝固以求生存
扎布林達耶夫和他的幾位同事，包括阿爾貝蒂，對蛋白質在細胞受到諸如溫度下降和營養物質突然消失等壓力時會發生什麼感到好奇，因此決定進行檢查。他們發現的令人驚訝的結果是，相分離可能是細胞生存機制的一部分。
細胞的行為可以比作熊的冬眠。這種動物靜靜地躺在休眠狀態數週，最大限度地減少能量消耗。在細胞層面，相分離有助於凝膠狀細胞質保護性地過渡到更固體的狀態。“在這種‘凝固’狀態下，細胞可以在飢餓中生存，”扎布林達耶夫說。
研究人員透過剝奪酵母和變形蟲的營養物質來研究這種現象。沒有營養物質意味著沒有能量，酵母細胞需要能量將質子泵出細胞質，以維持對其生物化學至關重要的中性 pH 值。“透過飢餓，細胞酸化了，”扎布林達耶夫說。在更酸性的條件下，蛋白質很容易從溶解狀態變為更濃縮和固體的狀態，並且充分混合的細胞質分離成凝膠狀液滴簇。
僅僅透過改變細胞環境的酸度，科學家們就可以誘導它們切換到這種生存狀態，即使不去除細胞的營養物質。細胞可以以這種方式休息數小時甚至數天。“我們發現細胞非常堅硬，以至於它們保持了形狀”，而不是可變形的，阿爾貝蒂說。它們“過渡到完全不同的物質狀態”。
當它們的正常 pH 值後來恢復時，細胞恢復正常，“分裂並快樂地生活著，”扎布林達耶夫說。
科學家們發現，他們還可以透過滲透作用完全脫水酵母來觸發相分離和凝固。然而，不同型別的壓力似乎會誘導略微不同的固態。阿爾貝蒂說，具體如何運作“是我們尚不理解的”。
儘管如此，實驗揭示的生存機制非常簡單，阿爾貝蒂說：當存在壓力時，廣泛的相分離導致整個細胞質的剛化，並且細胞關閉其新陳代謝，就像冬眠的熊安頓下來過冬一樣。
與冬眠的比較可能不僅僅是比喻。“冬眠哺乳動物的細胞內部也可能凝固，”阿爾貝蒂說。“這是應對這些環境變化的完美方式，因為凝固是免費的。能量來自溫度變化或 pH 值下降。” 然而，相分離參與其中的假設仍需要檢驗，他說。
為了代謝控制而固定
最近，阿爾貝蒂的團隊一直在分子水平上探測細胞質蛋白質對壓力的相分離反應。他們特別感興趣的是它與細胞代謝控制的關係。
阿爾貝蒂說，關閉某物的完美方法是將其放入固體材料中，該材料可以可逆地固定它，直到再次需要它。“這是一種保護分子免受損害的方式，同時也是關閉它們、儲存它們以供以後使用的方式。”
該團隊發現，當蛋白質具有某個可識別的結構域或區域時，蛋白質將很容易形成可逆的凝膠。在沒有該結構域的情況下，蛋白質會形成不可逆的組裝型別——永久地將其從進一步使用中移除。
實際上，該結構域修飾了蛋白質的相行為並使其保持可重複使用。“該結構域為該蛋白質提供了一種新的可能性，即組裝成良性的凝膠，而不是你無法從中恢復的東西，”阿爾貝蒂說。
在一個試管實驗中，研究人員取出一個含有單一型別蛋白質的溶液並降低其 pH 值。他們看到蛋白質分子從溶液中相分離並形成凝膠狀液滴。然後他們將 pH 值恢復到中性，使凝膠溶解，“完全展示了我們在細胞中看到的情況，”阿爾貝蒂說。
這些結果表明，自然界已經設計了結構域序列來調整蛋白質的材料特性。緬因州巴爾港 MDI 生物學實驗室的生物學家達斯汀·厄普代克說，這非常有益，因為它為細胞提供了“一種應對突發壓力的機制，例如熱休克、pH 值或滲透壓”。他解釋說，細胞中的調節機制通常在基因水平上起作用，這意味著它們依賴於到達細胞核的訊號，啟動基因轉錄和適當酶的製造。但這些事件需要時間。相比之下，相分離非常迅速——並且可以對壓力提供幾乎即時的反應。
它真的重要嗎？
扎布林達耶夫認為，理解細胞中相分離的精確機制和影響可能與一系列重大的生物學挑戰高度相關——從器官儲存和衰老研究一直到太空旅行。
例如，最近，耶魯大學的神經科學家皮耶特羅·德·卡米利和他的同事發現了證據表明，相分離可能參與了突觸處神經遞質的受控釋放。人們觀察到，含有神經遞質的囊泡通常成簇地懸停在突觸前膜附近，直到需要它們。德·卡米利的團隊表明，一種稱為突觸素 1 的支架蛋白與其他蛋白質一起凝聚成液相，將囊泡結合成這些簇。當突觸素被磷酸化時，液滴迅速消散，囊泡被釋放，將神經遞質釋放到突觸中。
但這仍處於早期階段。當布蘭溫內和他的同事十年前發表他們的論文時，生物學家的反應要麼是完全難以置信，要麼是希望有一個全新的研究方向。正如厄普代克指出的那樣，細胞生物學家很難從從蛋白質聚集的角度思考現象轉變為更復雜的液相分離問題，這需要流體動力學來描述。
“對我來說，克利夫的工作是一個巨大的進步，它更好地描述了 P 顆粒的性質以及我們所看到的東西，”厄普代克說，部分原因是它也解釋了為什麼 P 顆粒在二十多年裡一直未能進行生化純化。“你可以純化顆粒，但純化更類似於油滴的東西則更具挑戰性。”
正如厄普代克和布蘭溫內所說，隨著越來越多的科學論文支援相分離作為一種細胞機制的概念，懷疑論者的數量不斷減少。然而，問題仍然存在。
“其中一個批評是，有些人說每種蛋白質都可以做到這一點，”阿爾貝蒂說。在科學界，眾所周知，在各種條件下濃縮蛋白質有時會使它們凝固或液化。“但從來沒有這種想法，即細胞實際上可以使用這種方法，進化實際上會採取行動並利用生物分子的這種能力來實現功能變化，例如下調新陳代謝。”
德國神經退行性疾病中心 (DZNE) 的生物學家蘇珊·韋格曼說，“到目前為止，尚未證明蛋白質的相分離實際發生在活的多細胞生物中。” 因此，細胞中相分離與神經科學和其他領域複雜問題的相關性尚不確定。“我們和其他人正在努力建立這種聯絡，但這當然非常困難且技術上具有挑戰性。如果事實證明蛋白質凝聚與人類疾病（如神經退行性疾病）有關，那麼我們必須找到聰明的方法來以特定的方式進行干預。”
哈佛醫學院系統生物學教授蒂姆·米奇森對相分離是否是生物學中普遍重要的概念持懷疑態度。“除了少數特定例子，如應激顆粒外，我還沒有看到細胞細胞質中相分離的太多證據，”他說。這個概念似乎在細胞生物學之外並沒有找到太多受眾：許多研究人員要麼還沒有聽說過相分離，要麼正在忽略這項研究。
“也許[他們]在等待，直到有更多的功能性證據，”米奇森說。他指出，如果有足夠的合適溶劑，幾乎任何蛋白質或 RNA 都可以進行相分離。“但尚不清楚其中有多少在生理上是相關的。我完全相信相分離是一回事，尤其是在 RNA-蛋白質生物學中，”他說。“我不太清楚它有多普遍。”
布蘭溫內似乎並沒有因這種保留意見而感到不安。他認為，一些懷疑論者“正在提出非常有效的問題，關於這一切對細胞功能和功能障礙意味著什麼，這仍然沒有得到很好的理解。” 他說，其他人可能仍在適應預測性定量模型的想法，“但那是生物學的未來”。
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