Nature | 细胞内相分离调控新理论：多组分作用与迁移自由能

来源：BioArt

撰文 | 十一月

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在相分离理论调控生物体内多种功能性小体（比如核仁、Cajal小体、应激颗粒等）的组装以及在多个生物学过程中的研究全面开花之后，多个相分离领域内的研究者提出了对相分离领域过分火热的担忧：目前关于相分离的研究缺少定量化的数据支持，更多的研究仅仅是基于定性化的数据将蛋白质能发生相分离与其生物学功能直接相连（详见BioArt报道：特别推荐 | 相分离与其生理功能是否存在因果关系？）【1,2】。

生物分子间的相互作用尤其是内在无序蛋白区域（Intrinsically disordered protein regions, IDRs）介导的同型分子相互作用被认为是相分离的热力学驱动力基础，由IDRs形成的凝聚物可以促进细胞内具有生物化学活性复合物的装配和加工。目前关于细胞内源相分离过程所搭建的模型非常简单，认为单一蛋白达到固定饱和浓度是分子发生相分离的关键特征【1-3】。但是对于活细胞来说，其内在环境多样、分子组成复杂，单一蛋白达到固定的饱和浓度引发相分离发生的观点并未得到完全的证实。

为了对该模型与细胞内复杂情况进行更进一步地定量化研究，2020年5月6日，美国St Jude儿童研究医院Richard W. Kriwacki与普林斯顿大学Clifford P. Brangwynne研究组在Nature联合发文题为Composition-dependent thermodynamics of intracellular phase separation，以核仁以及多种凝聚物组装过程为例揭开了活细胞内复杂环境下多组分相互作用对于内源相分离过程的促进过程，为相分离领域向更定量化、模型化的研究提供了新颖的观点与证据。

2016年，Brangwynne研究组在Cell发文对核仁组装过程中相分离发挥的生物学作用进行了研究，提出了核仁组装的“核-壳模型”【4】（图1）。核仁组装过程中的关键组分包括核仁磷酸蛋白NPM1，是核仁相分离过程中的关键驱动因子【4,5】。

 图1 表面张力驱动核仁组装过程的发生

为了对细胞内凝聚物形成中相分离过程的热力学特征进行研究，作者们将目标放在了已经有所了解的核仁组装过程上。按照先前的简化的相分离模型来说【1,2】，即使细胞内包含不同浓度的NPM1，NPM1形成相分离的饱和浓度应该是固定的。在细胞中过表达NPM1后，作者们的确发现NPM1通过相分离形成凝聚物，但是与预期不同的是，随着NPM1浓度的升高，细胞核中NPM1形成相分离的饱和浓度非但不是固定的，反而有着大幅度的增加（图2）。另外，作者对细胞核中凝聚相和稀释相的分配系数进行分析后，发现随着NPM1浓度的升高，分配系数是逐渐降低的。

 图2 多组分相分离过程中分子的饱和浓度是非恒定的

面对这样的“反直觉”的实验结果，作者们想知道活细胞内分子发生相分离的饱和浓度非固定的具体生物物理基础是什么。作者们使用先前发明的optoDroplet系统【6】在非细胞原生系统里对相分离过程进行研究。optoDroplet系统利用蓝光敏感蛋白与发生相分离的分子IDR区域进行融合，在蓝光照射的情况下对相分离过程进行操纵和研究【6】。

首先，作者们对发生同型相互作用（Homotypic interactions）的蛋白DDX4（DDX家族蛋白容易形成相分离，详见此前报道：Nature | ATP酶活性依赖的RNA解旋酶调控相分离的发生影响RNA成熟与加工；Cell | 相分离驱动应激蛋白的翻译与合成——真核生物生命活动的精细调控）形成相分离的过程进行研究，发现蓝光诱导DDX4相分离液滴形成的饱和浓度是基本恒定的。但是对于应激颗粒这种多组分的、异型相互作用（Heterotypic interactions）的组装过程相分离液滴形成的饱和浓度则是非恒定的，随着整体浓度的增加而发生明显的提高。这些结果说明多组分组成的凝聚物并不具有恒定的饱和浓度，多组分结构的相分离相图可能是由多维度、多因素影响和调节的。

为了对多组分浓度依赖型相分离过程的生物物理基础进行解析，作者们对分配系数改变过程引发的迁移自由能进行了测量。作者们发现迁移自由能的变化与相分离系统的稳定性相关。作者们将迁移自由能变化的模型与NPM1在核仁组装过程中的特点进行了对应，随着NPM1浓度的升高、NPM1分配系数降低；同时，凝聚相与稀释相之间迁移自由能的变化增加，从而系统稳定性变差。在体外系统中只有NPM1的时候，NPM1浓度增加，迁移自由能基本上是恒定的；但是对于包含核仁组装的多组分存在情况下，NPM1浓度增加会使得NPM1同型相互作用能力增加、与其他组分的异型相互作用能力减弱，最终导致迁移自由能增加，整个系统变得不稳定（图3）。总之，多组分之间的异型相互作用是促进内在凝聚性、稳定相分离系统的关键因素。

图3 单一组分与多组分核仁组装过程中迁移自由能变化的不同

总的来说，Kriwacki与Brangwynne研究组的工作揭开了多组分结构中热力学以及迁移自由能变化对相分离过程中凝聚物形成的作用，同时作者们还提出了异型相互作用对于相分离组分饱和浓度相图多维度的影响。该工作为更进一步地定量化研究细胞内的相分离过程提出了新的见解与理论。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2256-2

参考文献

1. McSwiggen, D. T., Mir, M., Darzacq, X. & Tjian, R. Evaluating phase separation in live cells: diagnosis, caveats, and functional consequences. Genes Dev 33, 1619-1634, doi:10.1101/gad.331520.119 (2019).

2. Alberti, S., Gladfelter, A. & Mittag, T. Considerations and Challenges in Studying Liquid-Liquid Phase Separation and Biomolecular Condensates. Cell 176, 419-434, doi:10.1016/j.cell.2018.12.035 (2019).

3. Holehouse, A. S. & Pappu, R. V. Functional Implications of Intracellular Phase Transitions. Biochemistry 57, 2415-2423, doi:10.1021/acs.biochem.7b01136 (2018).

4. Feric, M. et al. Coexisting Liquid Phases Underlie Nucleolar Subcompartments. Cell 165, 1686-1697, doi:10.1016/j.cell.2016.04.047 (2016).

5. Mitrea, D. M. et al. Nucleophosmin integrates within the nucleolus via multi-modal interactions with proteins displaying R-rich linear motifs and rRNA. eLife 5, doi:10.7554/eLife.13571 (2016).

6. Shin, Y. et al. Spatiotemporal Control of Intracellular Phase Transitions Using Light-Activated optoDroplets. Cell 168, 159-171.e114, doi:10.1016/j.cell.2016.11.054 (2017).