细胞内的神秘液滴可能在生命中扮演重要角色

　　

　　所有生物体都是由细胞构成的，细胞是最小的生命单位。植物和动物有多达数万亿个细胞，这些细胞协同工作，产生越来越复杂的组织和功能。细胞内部是细胞器，或小器官，负责特定的工作。例如，植物和动物细胞有产生能量的线粒体，以及包含大部分遗传信息并起控制中心作用的细胞核。这些众所周知的细胞器被包裹在膜内，保持它们的形状，并将它们与细胞质(充满细胞的液体)分开。

　　但是这种教科书式的关于细胞的描述是不完整的，它将细胞的劳动整齐地划分成整齐的膜包裹。并不是所有的细胞器都有膜，在过去的十年中，生物学家逐渐认识到，无膜细胞器——如浓缩蛋白质或其他生物分子的微小液滴——可能比以前认识到的更丰富，在细胞功能中执行更多样化的任务。科学家称这些液滴为生物分子凝析物，类似于潮湿天气中凝结在一杯冷水上的水滴。

　　它们的物理性质有点神秘。为什么这些小工蜂不需要墙来控制它们，它们是如何将它们的元素与周围的细胞质分开的?通过了解凝析油的形成和运作方式，我们希望最终弄清楚它们的作用。

　　这方面的研究仍处于起步阶段，但科学家们认为，这些液滴在基因调控、细胞分裂和细胞内物质运输方面发挥着至关重要的作用。甚至有迹象表明，生物分子凝聚物在与人类疾病相关的细胞过程中很重要，包括肌萎缩性侧索硬化症(ALS)和其他神经退行性疾病。然而，到目前为止，大多数关于生物分子凝聚物的证据都来自试管实验。在接下来的几年里，研究人员的目标是了解这些液滴在更复杂的活细胞环境中的作用。随着我们不断发现新的凝析物类型，并发现关于它们用途的新线索，我们希望我们甚至可以找到一个通用的理论来描述它们。

　　在显微镜下，生物分子凝聚物看起来就像漂浮在充满细胞器和其他结构的细胞质海洋中的微小物体。虽然悬浮在这种液体中，但它们本身就像液体一样——它们是球形的，用微移液管戳一下就会变形。当两个液滴接触时，它们合并成一个。最近关于它们可能的生物学意义的发现引起了人们对生物分子凝聚物如何形成的兴趣。对于像我这样的生物物理学家来说，这看起来像是一个热力学问题。

　　热力学是物理学的一个分支，研究热与其他形式的能量之间的关系。它的原理适用于从化学反应到气象学的所有领域。为了我们的目的，热力学描述了液-液相分离——流体分为两个不同浓度和成分的隔间(或相)。一个经典的例子是油和水。如果我把油倒进一杯水中，起初这两种液体会有些混合。然而，几分钟后，它们将分离并形成两相:一相富含油和很少的水，另一相含有水和很少的油。相反，熵获胜的一个例子是牛奶和咖啡的混合，它们混合得很好。

　　热力学告诉我们，这种相分离是由熵和能量之间的竞争造成的。熵是系统中无序的数量;它有利于油和水的均匀混合。能量包括每个分子内化学键所含的能量以及分子间相互作用的能量。在这种情况下，油分子相互作用的能量低于油分子和水分子相互作用的能量，而水分子和油分子相互作用的能量会使油和水分裂成不同的层。分子间相互作用中能量的减少超过了熵的相反贡献，以保持均匀混合。

　　当蛋白质、DNA或RNA等分子以高浓度聚集在一起时，细胞内也会发生类似的事情。这些分子可能会凝结成微小的液滴，因为它们粘在一起的能量比分散在细胞质中的能量低。但是，与油和水的分离或水杯外部形成的小珠相比，生物分子凝聚物的行为不能仅仅用热力学来解释。纯粹由热力学驱动的相分离应该是稳定的:一旦油和水在玻璃杯中分离，它们就会永远保持这种状态。但在细胞内部，许多凝析物只是暂时存在的。例如，类pyrenoids是在细胞分裂之间溶解和重组的动态结构。它们对藻类将阳光转化为能量的光合作用过程至关重要。

　　类芘是已知最早的生物分子凝聚物之一。1782年，丹麦博物学家和科学插画家奥托·弗雷德里克·梅

　　勒(Otto Frederik m

　　ller)观察并绘制了绿藻中的小点，用当时有限的技术捕捉到了这些结构。后来，在19世纪30年代，德国生理学家鲁道夫·瓦格纳和加布里埃尔·瓦伦丁独立报告了他们对另一种生物分子凝聚物的观察。这是在科学家们开始认识到细胞是生命的基本单位的时期。尽管当时的显微镜相对粗糙，瓦格纳和瓦伦丁还是能够分辨出神经元细胞核内的微小结构。由于后来的研究，我们现在知道它们是核仁或“核中核”，是构建核糖体的结构，核糖体是将RNA序列转化为蛋白质的分子机器。但当时瓦格纳和瓦伦丁对核仁的功能知之甚少。后来，在1899年发表在《科学》杂志上的一篇论文中，美国生物学家埃德蒙·b·威尔逊提出，细胞质不是一种均匀的液体，而是一种复杂的液体混合物，其中悬浮着“不同化学性质”的液滴。尽管威尔逊缺乏支持这一观点的直接证据，但他的模型非常准确，并且仍然是我们现代细胞生物学理解的一部分。

　　一个多世纪过去了，我们才有了更深刻的认识。显微镜技术的进步发挥了重要作用，使生物学家能够放大并实时观察细胞内的事件，而不是只看到静态图像。在2009年的一项具有里程碑意义的研究中，研究人员检查了秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)胚胎细胞中被称为P颗粒的无膜细胞器，秀丽隐杆线虫是实验室研究的首选物种。P颗粒含有蛋白质和RNA，这些蛋白质和RNA有助于决定在早期胚胎发育中哪些细胞最终成为精子和卵子。利用荧光染料，科学家们发现蛋白质在P颗粒内快速移动，这表明它们混合得很好，构成了一个与细胞质分离的独特阶段。此外，研究人员发现P颗粒是圆形的，像液体一样会变形。当两个液滴彼此靠近时，它们融合在一起。这是生物分子凝聚物可以在活细胞内形成的第一个直接证据。

　　自这一发现以来，其他研究小组发现，生物分子凝聚物出现在各种类型的细胞中。尽管在许多情况下，这些凝聚物的生物学功能尚不清楚，但新出现的图景表明，细胞利用相分离作为一种同时控制多个重要生物过程的方法。更多地了解冷凝物形成的物理原理可以帮助我们更清楚地了解它们的作用。

　　我是经过迂回曲折才接触到物理的。我以生物学专业进入大学，学习细胞生物学、遗传学、生态学和进化的入门课程。我很好奇为什么像细胞这么小的东西会如此复杂。但我也必须上物理入门课程，我被物理的定量本质所吸引。有些计算需要数页又数页才能得到解决方案。我发现这个过程很吸引人，但汽车碰撞和入门物理问题的摆动钟摆并没有激发我的灵感。我梦想用物理定律定量地研究生物学。

　　我继续在加州大学伯克利分校读研究生。在博士学位即将结束时，我开始了我现在的主要研究项目之一，研究细胞内的相分离。我工作的一个领域涉及在T细胞发育早期形成的凝聚物，T细胞是我们免疫系统的关键组成部分。组成凝析物的蛋白质被称为T细胞激活连接子(LAT)，它在发育和感染期间调节一个关键的信号通路。LAT附着在细胞膜内部，在膜内形成冷凝物，本质上是一种二维液体。我在加州大学伯克利分校的合作者一直在研究LAT缩聚物是如何在试管实验中形成的，LAT分子粘附在人造膜上。他们发现，这个过程需要在膜的另一边的溶液中加入“胶”蛋白。这些胶蛋白与LAT的单个分子结合，并将它们连接到其他LAT分子上，以模拟活细胞中的相互作用。

　　我有幸在最近的一项研究中与这些研究人员合作，他们测量了在向均匀的LAT溶液中加入胶蛋白后形成冷凝物所需的时间。他们发现这个相变时间是温度的函数。作为一名理论家，我开始了解是什么决定了时间尺度。我和我在加州大学伯克利分校的导师、化学家大卫·利默(David Limmer)一起开发了一个包含相关生物信息的数值模型，比如LAT分子相互连接并在膜表面扩散的速率，以及每个LAT分子可以与其他LAT分子形成的最大连接数。在我们的模拟中，LAT在凝结过程开始时建立了10到20个蛋白质的微小簇。在中间时间尺度上，这些簇开始融合在一起，形成一个纤维状的网络。最终，这个网络整合成圆形的斑点，出现了两个不同的阶段——一个富含LAT，另一个含有很少的LAT，但有很多其他蛋白质。在这个过程的最后一步，也是耗时最长的，纤维状结构中很少有可用的结合位点，它们必须缓慢移动和弯曲以使剩余的结合位点可用。我们对LAT簇的生长和簇内分子动力学的模拟结果与我的合作者所做的实验结果吻合得很好。我们的工作共同展示了一种特殊类型的凝聚物是如何在具有维持生命功能的细胞中形成的。

　　我现在正在研究的另一个领域是绿藻的相分离，它们生活在世界各地的土壤和淡水中，从太阳那里收集能量。就像陆地上的植物一样，光合作用这一过程依赖于叶绿体细胞器内的绿色色素分子。但与陆地植物不同的是，这些绿藻在每个叶绿体中都有一种被称为类pyrenoid的生物分子凝结物，这种凝结物含有高浓度的酶，可以将空气中的二氧化碳转化为能量所需的糖。我想了解这些凝聚物是如何形成的生物物理学。在与实验室里研究类pyrenoids的生物学家的合作中，我正在研究这些生物分子凝聚物的组成和大小如何调整以适应特定的生物功能。我们希望这项工作有一天能让我们通过基因工程改造陆地植物，使其产生类pyrenoids，这可能使它们能够在阳光较少的地区生长。

　　最近，科学家们开始更好地研究细胞内的液滴是如何形成的。我们知道，当蛋白质聚集在一起所需的能量小于它们在细胞质中均匀分散所需的能量时，就会产生凝聚物。它似乎通过两种主要机制发生。其中之一涉及到有合适的条件来促进化学键，这样单个蛋白质分子就可以相互结合。

　　热力学上形成凝聚体的第二种机制涉及含有所谓内在无序区(idr)的蛋白质，或构成蛋白质的氨基酸序列高度重复的区域。这些idr可能含有带正电荷或负电荷的氨基酸，它们吸引带相反电荷的氨基酸，排斥带相同电荷的氨基酸。由于电荷沿分子的分布，具有idr的蛋白质也可能与水发生复杂的相互作用，这有助于它们折叠并过渡到一个单独的相。

　　与这些被动的、热力学驱动的凝析物相反，其他凝析物是通过需要燃烧分子燃料作为能量的“主动”过程形成的。Sharon Glotzer，现在是密歇根大学的一名教授，发展了一种利用统计物理学的理论，表明消耗能量的化学反应可以改变冷凝物的形成方式，导致多个小液滴而不是单一的冷凝物。例如，想象一个由两种粒子a和B组成的系统，其中a粘在a上，B粘在B上，但是a和B相互排斥。根据被动热力学，我们期望这个体系分离成一个包含许多A粒子的相和另一个包含许多B粒子的相。然而，如果该系统还包括燃烧能量将a转化为B和B转化为a的化学反应，那么单一的冷凝物就会变得不稳定并分裂。这样，就可以形成许多小的圆形液滴，而不是主要是a和B两个阶段，其中充满了a或B颗粒。其他科学家后来发现，这些液滴的大小和总数与化学反应中消耗的能量有关。

　　Glotzer的团队和其他人的研究表明，这种机制有助于稳定中心体，中心体是一种液体状的细胞结构，有助于协调细胞分裂。在细胞周期中，中心体的大小增加一倍，分裂成两个，然后移动到细胞的两侧。这两个中心体形成了一个有丝分裂纺锤体——一束绳状的成分，在细胞分裂时排列染色体并将它们分开。根据理论，中心体的组装和拆卸所消耗的能量控制着这些生物分子凝聚体的生长和大小，也允许两个中心体共存而不合并成一个液滴。这表明细胞具有调节空间和时间组织所需的控制旋钮，以协调细胞分裂。

　　研究人员感兴趣的另一个活跃领域是凝析物如何随时间缓慢变化的问题。其中一个例子是一种名为FUS的蛋白质，它与细胞核内的DNA和RNA结合，修复DNA并调节基因及其产物。编码FUS的基因突变会导致一种遗传性的ALS，也被称为Lou Gehrig病。在试管实验中，这种突变的FUS形成凝聚体，类似于死于ALS的人的脑组织中发现的FUS蛋白团块。最近的研究表明，这些体外FUS凝聚物的性质随着时间的推移而改变。在一项研究中，现为荷兰莱顿大学助理教授的Louise Jawerth和她的同事们将FUS液滴粘在塑料珠上，这些塑料珠可以用激光镊子操纵，这样他们就可以研究液滴在被拉时是如何变形的。有趣的是，随着年龄的增长，液滴变得更致密，需要更大的力来变形。

　　这些研究标志着我们开始了解凝析油的复杂动力学。虽然这一现象的生物物理学尚未得到很好的理解，但局部FUS蛋白浓度的增加似乎触发了与ALS相关的蛋白质团块相转变为聚集状态。对类似蛋白质的计算机模拟研究表明，随着时间的推移，蛋白质之间的键的加强或这些键的数量的增加可以增加局部浓度，这一过程被称为凝胶化。类似的过程可能是与其他神经退行性疾病相关的蛋白质聚集体形成的基础，比如阿尔茨海默氏症患者大脑中发现的淀粉样原纤维，或者与帕金森病有关的突触核蛋白沉积。一个有趣的假设是，正常的生理条件只支持这些蛋白质的液体状态，而疾病与从液体到固体聚集状态的转变有关。

　　认识到生物分子凝聚物无处不在，种类繁多，这是一个令人兴奋的发展，但要了解它们的真实性质和功能，我们还有很长的路要走。进展正在加速，我们希望看到令人兴奋的发现，关于生物分子凝聚体是如何形成的，它们是如何老化的，以及它们是如何影响细胞和更大的生物体的。