大多數的生物學(xué)教科書(shū)中都提到，膜結構是細胞中最重要的組織構成形式。磷脂雙層膜包裹著(zhù)線(xiàn)粒體、內質(zhì)網(wǎng)、溶酶體等多種細胞器，以分隔細胞器內外的不同蛋白質(zhì)。其余的細胞組成部分則懸浮于細胞基質(zhì)中。細胞基質(zhì)中的蛋白質(zhì)偶爾會(huì )遇到其他的可結合分子，如底物和小分子藥物。

       但是現在，這一情況正在逐漸變化。隨著(zhù)科學(xué)研究的不斷深入，生物分子凝聚物，由蛋白質(zhì)和RNA組成的暫時(shí)性流體液滴，被發(fā)掘了出來(lái)。人們將這些生物分子凝聚物稱(chēng)為無(wú)膜細胞器。關(guān)于這些無(wú)膜細胞器結構和生物物理學(xué)特性的研究在過(guò)去的10年里突飛猛進(jìn)?？茖W(xué)家和藥物研發(fā)者們也越來(lái)越重視這一獨特的生物學(xué)結構。

       我們將近期發(fā)表于《Nature Reviews Drug Discovery》上有關(guān)無(wú)膜細胞器的一篇文章編譯和整理成了上下兩篇。本文是上篇，主要介紹了無(wú)膜細胞器研究的歷史及其與疾病之間的關(guān)系。隨后發(fā)表的下篇則將分析無(wú)膜細胞器研究對醫藥行業(yè)發(fā)展的影響，以及大藥企和初創(chuàng )企業(yè)在這一領(lǐng)域的布局。

       初步證據表明，這些通過(guò)被稱(chēng)為液-液相分離的過(guò)程形成的無(wú)膜細胞器，與健康和疾病關(guān)系密切。在某些情況下，它們似乎起著(zhù)坩堝一樣的作用，加速其組分之間的反應，并且防止自己的組分與自身結構以外的分子接觸。影響無(wú)膜細胞器形成和分解的基因突變，似乎也與神經(jīng)退行性疾病、癌癥等疾病息息相關(guān)。

       在細胞中默默無(wú)聞了上百年的無(wú)膜細胞器

       距離無(wú)膜細胞器首次被報道已經(jīng)經(jīng)過(guò)了一個(gè)多世紀。早在1899年，細胞生物學(xué)先驅Edmund Beecher Wilson就在《Science》雜志的一篇綜述中描述了無(wú)膜細胞器的廣泛存在，并且這些結構在數十年中都存在于細胞結構圖之中。但是，由于人們對這些結構在細胞中的作用及其組分的生物物理學(xué)特性知之甚少，極少有研究人員關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域。

       大約十年前，這種情況開(kāi)始發(fā)生變化。

       2009年，當時(shí)在馬克斯普朗克研究所從事博士后研究的Cliff Brangwynne和他的主管Tony Hyman在通過(guò)顯微鏡觀(guān)察秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)的胚胎。他們最初的目的是想了解P顆粒（線(xiàn)蟲(chóng)的生殖質(zhì)，由RNA和RNA結合蛋白構成）的起源，但在觀(guān)察過(guò)程中他們發(fā)現，P顆粒的表現像是油醋汁中的油滴，從細胞核中滴落，相互融合，并迅速在基質(zhì)中發(fā)生凝聚和分解（圖1）。他們在2009年的《Science》雜志上報道了這項工作。這一論文也由于首次將“相分離”的概念應用于描述特定無(wú)膜細胞器上而成為了里程碑式的論著(zhù)。

       兩年后，Brangwynne及其同事在《美國國家科學(xué)院院刊》上進(jìn)一步報道，核仁（一種在細胞核中形成，在核糖體組裝中扮演著(zhù)重要角色的結構）具有類(lèi)似的流體特性并依賴(lài)于相變作用。他們在非洲爪蟾的胚泡細胞中，用顯微注射的針頭將核仁推到一起。在短暫的延遲之后，兩個(gè)核仁開(kāi)始發(fā)生緩慢的融合，并最終形成一個(gè)更大的球體（圖2）。隨后他們又將GFP（綠色熒光蛋白）標記的NO145（核仁外圍絲狀網(wǎng)絡(luò )的重要組成蛋白）轉入胚泡細胞中。在綠色熒光蛋白標記下，可以通過(guò)核仁的外圍明顯的綠色熒光信號，觀(guān)察到自然情況下發(fā)生的核仁融合（圖3）。

       不久之后，研究人員在各種無(wú)膜細胞器中都發(fā)現了類(lèi)似的現象，包括卡哈爾體，核散斑體，應激顆粒，RNA轉運顆粒等。

       與此同時(shí)，研究人員也在試圖破譯這些結構快速形成和分解的生物物理學(xué)基礎，并已經(jīng)取得了部分進(jìn)展。例如，2012年，UT西南醫學(xué)中心的生物物理學(xué)家Michael Rosen及其同事在《Nature》雜志上描述了多價(jià)大分子能夠實(shí)現迅速的液-液相分離以及微米級流體液滴的快速凝聚。隨后的工作表明，有類(lèi)似作用的多價(jià)大分子主要是具有內在無(wú)序區域（IDRs，一種無(wú)法折疊形成穩定三維結構的蛋白質(zhì)結構域）的蛋白和RNA分子等。

       大量證據證明無(wú)膜細胞器與疾病之間存在關(guān)聯(lián)

       這一現象與疾病之間的聯(lián)系隨后被逐步發(fā)掘。St. Jude兒童研究醫院，長(cháng)期致力于研究神經(jīng)退行性疾病的神經(jīng)學(xué)家Paul Taylor于2013年在《Nature》上報道，在hRNPA2B1和hnRNPA1的IDRs保守區域中發(fā)生的突變與肌萎縮側索硬化癥（ALS）有關(guān)。到2015年，有關(guān)IDRs的研究迅速升溫。那一年，五篇論文互相獨立的證明了IDRs對生物分子凝聚物的相變至關(guān)重要。

       在A(yíng)LS中有關(guān)無(wú)膜細胞器的研究迅速展開(kāi)。Dewpoint（一家致力于無(wú)膜細胞器研究的初創(chuàng )醫藥企業(yè)）聯(lián)合創(chuàng )始人Hyman和他的同事們一起在《Cell》上發(fā)文稱(chēng)，FUS蛋白會(huì )在DNA損傷部位和應激狀態(tài)下的細胞質(zhì)中形成無(wú)膜細胞器（圖5），并且與ALS相關(guān)的FUS突變會(huì )導致相變異常（圖6）。FUS蛋白在RNA的轉錄、剪接和microRNA的加工中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。此前的很多研究都證實(shí)了FUS蛋白與多種神經(jīng)退行性疾病有明確的關(guān)系。而這一發(fā)現則提出了一種FUS蛋白致病的可能原因。

       Taylor與同事們在另一篇發(fā)表于Cell上的文章上表示，hnRNPA1也會(huì )經(jīng)歷液-液相分離，并且該蛋白與ALS相關(guān)的突變也會(huì )影響液-液相分離過(guò)程。研究人員們將野生型hnRNPA1和D262V突變型hnRNPA1混合后可以看到，突變型的hnRNPA1濃縮程度更高，與野生型的相變過(guò)程有明顯區別（圖7）。從研究結果上看，ALS相關(guān)的突變會(huì )影響無(wú)膜細胞器形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并且似乎會(huì )使部分結構比正常情況下更粘稠。這一情況似乎會(huì )進(jìn)一步引發(fā)作為疾病標志的包涵體纖維化。Taylor估計，異常的相變過(guò)程引起了90％以上的ALS病例。

       其他神經(jīng)退行性疾病也可能與液-液相變有關(guān)。2017年，Ankur Jain和Ron Vale在《Nature》的一篇文章中提到，一系列由于重復序列增多而引起的疾病，包括亨廷頓氏舞蹈癥、肌營(yíng)養不良癥以及ALS等，都可能涉及異常的RNA液滴形成。在這項研究中，研究人員們發(fā)現，具有多個(gè)重復CAG三聯(lián)子（亨廷頓氏舞蹈癥的主要致病原因）的RNA會(huì )在轉錄后聚集形成無(wú)膜細胞器，并且與CAG的重復次數呈正相關(guān)。同樣的情況也發(fā)生在具有多個(gè)CCCCGG重復（ALS的主要致病原因）的RNA上。

       在2018年，Taylor及其同事報道，阿爾茨海默病罪魁禍首之一的可溶性tau蛋白也會(huì )形成凝聚物。無(wú)論是外源表達的tau蛋白還是從病人標本中分離出的tau蛋白都會(huì )發(fā)生液-液相分離過(guò)程。這些tau蛋白會(huì )在數十分鐘內形成膠狀凝聚物，并在接下來(lái)的幾天中越聚越大。

       無(wú)膜細胞器似乎與癌癥也有關(guān)系。2016年，馬薩諸塞州綜合醫院病理學(xué)家Miguel Rivera及其同事發(fā)文稱(chēng)，在Ewing肉瘤中，相變機制可能會(huì )引起并保持原癌基因調控程序。2018年，圣裘德兒童研究醫院的結構生物學(xué)家Tanja Mittag發(fā)現抑癌蛋白SPOP在無(wú)膜細胞器非?；钴S。更重要的是，癌癥相關(guān)的SPOP突變會(huì )干擾蛋白的底物共定位，影響蛋白的相分離能力和抑癌能力(圖10）。

       Taylor補充說(shuō)，由于IDRs在整個(gè)蛋白質(zhì)組中廣泛存在，這些發(fā)現已經(jīng)吸引了全球各地細胞生物學(xué)家的目光。“許多科學(xué)家突然意識到他們一直在研究的蛋白質(zhì)存在生物學(xué)相關(guān)的相變過(guò)程，而他們竟然從未意識到過(guò)。”他說(shuō)。

       針對于無(wú)膜細胞器的獨特性質(zhì)，已經(jīng)有醫藥初創(chuàng )公司開(kāi)始向這個(gè)領(lǐng)域布局，跨國藥企也在密切的關(guān)注著(zhù)這一領(lǐng)域的下一步進(jìn)展。無(wú)膜細胞器究竟將如何為醫療健康領(lǐng)域賦能？又有什么樣的問(wèn)題困擾著(zhù)這一初生領(lǐng)域的發(fā)展？我們將在下一篇文章中繼續解析這一領(lǐng)域的當前現狀與未來(lái)發(fā)展，敬請期待。

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