图 1. 细胞质构成 (黄棕色：RNA；紫色：核糖体；绿色：蛋白质)^[1]   

细胞是个拥挤而有序的地方  

细胞内的各种组分如何在正确的时间、地点上聚集并执行其相应的功能，是生命科学领域内的一大问题。近些年来，细胞内一些没有细胞膜结构包被的“细胞器” (Membrane-less organelles/condensates)——又称生物分子凝聚体 (Biomolecular condensates) 逐渐引起了人们的注意。

与此同时，液-液相分离 (Liquid-liquid phase separation, LLPS) 的概念火了起来：近几年的研究表明，相分离是细胞形成无膜细胞器的物理化学基础。通过相分离，细胞内分子可以实现特异性的聚集，从而在看似“拥挤而混乱”的细胞内部形成一定的秩序。

  这么火的相分离能干些什么？   

相分离 (或相变) 是细胞内类似于油水分离的现象，细胞中某些可以发生相互作用的分子 (油水混合物中的油)，可以聚集形成液滴，从“水相”中分离出来。这看似简单的“分离”，却可以帮助细胞实现“不简单”的生物学功能：可以提高蛋白局部浓度，从而激活细胞信号转导；可以隔离蛋白与其底物，从而抑制细胞内的某些生化反应；还可以感受、并快速响应环境的变化，如温度、pH、细胞外源 DNA；细胞还能以相分离的形式将高浓度的蛋白存储起来，在需要的时候再次释放……

图 2. 相分离具有多样的生物学功能^[2]

  
我的课题能蹭个相分离的热点吗？  

越来越多的科学家发现他们“最喜爱的分子”会发生相分离——这正是相分离研究火爆的重要原因。 

那么，什么样的分子容易发生相分离呢？

相分离的关键在于分子间多价的弱相互作用，没有相互作用的分子之间不会发生聚集，而强相互作用的分子更容易形成“固态聚集”。已知有两种蛋白结构类型更容易发生相分离：一类是具有重复结构域的蛋白，如 Grb2 的 SH3 结构域可以与 Sos1 上 PRM 结构域发生弱相互作用，两者可以发生相分离；另一类是具有内部无序区 (Intrinsic disordered region, IDR) 的蛋白，而 IDR 是非常常见的。 

图 3. 两种蛋白结构域易发生相分离：重复结构域、内部无序区^[3]

体外重构相分离   

2012 年，Michael Rosen 和 Steven McKnight 发现纯化的蛋白及核酸等能在特定的条件下发生相分离，首次证实了相分离能够通过简单的生化实验在体外重复。体外相分离实验最大的优势是可以严格控制各个组分的浓度及反应调节 (如温度、pH)，更加便于研究相分离现象。体外相分离实验中会经常用到一些大分子拥挤试剂  (Macromolecular crowding agents)，如 PEG (PEG300、PEG400)、Dextran。目前，拥挤试剂促进相分离发生的具体的机制仍不明确，一个可能的原因是拥挤试剂模拟了细胞内的高分子浓度的环境。

   相分离与细胞信号通路   

cGAS 是一种核苷酸转移酶，药物小分子可特异性结合其酶活口袋，因此具有较高成药性，是治疗多种疾病的有潜力靶点。cGAS 识别并结合细胞质中异常存在的 DNA (包括来自病原体的外源 DNA 和细胞自身损伤或病变而泄露的内源 DNA) 后被激活，催化产生第二信使分子 2'3'-cGAMP，开启下游 STING 介导的免疫应答信号通路。(详细见往期：热门靶点 STING丨靶向 cGAS-STING 通路或可治疗渐冻症？) 

图 4. cGAS-DNA 相互作用推动相分离^[4]

 mTORC1 在调节控制细胞内环境分子拥挤和相变中具有重要作用。mTORC1 可通过调节核糖体浓度来控制大分子拥挤 (Macromolecular crowding)，从而调控相分离。 

图 5. mTORC1 控制相分离和细胞质的生物物理特性^[5]  

相分离与小分子药物研发  

以往药物研发过程中，人们简单地认为小分子药物进入细胞中会均匀地分布。而相分离研究的不断深入提示着：相分离影响着小分子药物的分布，因此，我们不仅要把小分子药物导入正确的细胞，还需要让它们到达正确的“细胞器”。

另外，靶向相分离也成了具有潜力的药物研发方向。一方面，筛选与无膜细胞器内蛋白发生相互作用的小分子化合物，它们可能会促进或抑制相分离；另一方面，靶向相分离调控的上游，有研究显示 ATP 酶、解旋酶、泛素酶以及能够调节蛋白转录后修饰的酶均具有调控相分离的潜力，因而这些酶的抑制剂/激动剂——尤其是蛋白转录后修饰酶的抑制剂，是极具成药潜力的相分离调控小分子。

相分离相关研究如火如荼，逐渐从神经退行性疾病扩展到癌症、免疫等领域。然而，仍有许多亟待解决的问题：针对癌症等疾病我们是该促进相分离还是打破相分离？特定小分子药物是否能进出无膜细胞器？特定小分子药物是否能精确特异地调控相分离的发生……可以说，相分离相关研究，是机遇，也是挑战。 

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参考文献

1. Bruce Alberts, et al. Molecular Biology of the Cell. New York: Garland Pub., 1989.

2. Simon Alberti, et al. Considerations and Challenges in Studying Liquid-Liquid Phase Separation and Biomolecular Condensates. Cell. 2019 Jan 24; 176(3): 419-434.
3. Yongdae Shin, Clifford P Brangwynne. Liquid phase condensation in cell physiology and disease. Science. 2017 Sep 22; 357(6357): eaaf4382.
4. Mingjian Du, et al. DNA-induced liquid phase condensation of cGAS activates innate immune signaling. Science. 2018 Aug 17; 361(6403): 704-709.
5. M Delarue, et al. mTORC1 Controls Phase Separation and the Biophysical Properties of the Cytoplasm by Tuning Crowding. Cell. 2018 Jul 12; 174(2): 338-349. e20.
6. Asher Mullard. Biomolecular condensates pique drug discovery curiosity. Nat Rev Drug Discov. 2019 Apr 10.
7. Archishman Ghosh, et al. Three archetypical classes of macromolecular regulators of protein liquid-liquid phase separation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019 Sep 24; 116(39): 19474-19483.
8. Richard John Wheeler, et al. Therapeutics-how to treat phase separation-associated diseases. Emerg Top Life Sci. 2020 Dec 11; 4(3): 307-318
9. Richard J. Wheeler, et al. Small molecules for modulating protein driven liquid-liquid phase separation in treating neurodegenerative disease. BioRxiv(2019): 721001.
10. Salman F Banani, et al. Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry. Nat Rev Mol Cell Biol. 2017 May; 18(5): 285-298.
11. Avinash Patel, et al. A Liquid-to-Solid Phase Transition of the ALS Protein FUS Accelerated by Disease Mutation. Cell. 2015 Aug 27; 162(5): 1066-77.