調味瓶中的細胞生物學

液滴的藝術   圖片來源：Steve Pavlovsky/Liquid Light Lab

任何同衰老相關的疾病可能都始于細胞失去對相位分離的控制。

當David Courson和Lindsay Moore抵達美國馬薩諸塞州伍茲霍爾市參加夏季交流項目時，他們期望嘗試一些新技術并且見識下高端顯微鏡。作為研究生，兩人從未想到會幫助解決一個困擾研究人員超過25年的生物學問題。

他們在海洋生物學實驗室的導師讓其破譯由RNA和被稱為P顆粒的蛋白組成的團粒如何在蠕蟲胚胎內形成——考慮到這些結構曾令生物學家困惑如此之久，這是一項難以完成的任務。不過，當Courson和Moore開始制作該過程的影片時，他們及其導師看到了一些在顯微鏡下發生的不同尋常的事情：就像熔巖燈里的泡泡一樣，P顆粒也在不斷地碰撞、合并。

固體結構不會這樣做，只有液體能做到。他們意識到，和此前大多數研究人員認為的不同，P顆粒并非堅硬的核。相反，它們表現得像被用力搖晃的調味瓶中的油滴——先是散開，然后迅速融合并且混合成較大的液體氣泡。

在工程、化學和物理學領域，這個過程是一個基本概念，被稱為液—液相分離。當有外力推動兩種液體分開時，它便會發生，就像油在水面上漂浮。相位分離在自然界很普遍，并且在很多工業過程中至關重要。不過，它并非如今在歐道明大學工作的細胞生物學家Courson想到的點子。當看見P顆粒像液體一樣融合時，“這真是一個了不起的時刻”。Courson說，“但我并不理解它的意義?！?/p>

在短暫的夏季課程中，兩人并沒有更多時間分析這一過程。不過，當他們的導師、細胞生物學家Tony Hyman和博士后、生物物理學家Cliff Brangwynne返回位于德國馬普學會分子細胞生物學與遺傳學研究所（MPI-CBG）的實驗室時，二人開展了更多試驗：將充滿P顆粒的蠕蟲生殖腺夾在兩片薄薄的玻璃板中間，并且讓玻璃板滑動。在滑動的玻璃板產生的剪切應力下，固體會被輕揉出來，而P顆粒會融合、滴落并且形成珠狀，就像雨滴落在傘上。

此時，他們才明白這項發現的重要性。相位分離可能提供了一種集合特定分子并將其他分子排除在外，從而在一片擁擠混亂的細胞中創建秩序的方法。Hyman表示，這是生物學家在利用任何正式、定量方法開展研究時未曾考慮過的壯舉?！斑@是人們從未想過要問的若干問題之一?！盚yman和Brangwynne在2009年發表了他們的成果。

相位分離獲證實

2011年，Hyman、哈佛大學醫學院細胞生物學家Tim Mitchison和Brangwynne（同一年在普林斯頓大學建立了自己的實驗室）證實，核仁——細胞核中由遺傳物質和蛋白質形成的密集團簇——也表現出像液滴一樣的行為。一年后，由均在得克薩斯大學西南醫學中心工作的結構生物學家Michael Rosen和生物化學家Steven McKnight領導的獨立團隊研究了試管中的蛋白質和RNA分子集合體。他們發現，這些分子被微弱地相互吸引在一起，并由此形成液滴和膠狀泡泡。

和Brangwynne、Hyman此前的工作不同，這些在2012年開展的研究證實，利用相對簡單的生物化學“處方”，相位分離可在試管中再現。Rosen表示，這使得在實驗室中研究相位分離變得容易很多，并且從那里開始，“該領域開始爆發”。

真正的繁榮始于2015年初。當時，由加拿大多倫多病患兒童醫院結構生物學家Julie Forman-Kay領導的團隊發現，一種對精子功能有重要意義的蛋白質會在人類細胞內形成液滴。此后不到一年，好幾個團隊發表了利用其“寵物”蛋白質證實相位分離存在的論文。

其中一些蛋白質涉及疾病發生。研究人員在運動神經元病，或者說肌萎縮性脊髓側索硬化癥（ALS）中發現了相位分離。ALS是一種神經退行性疾病，其特征是控制運動的神經細胞中的蛋白質形成異常團塊。研究證實，當這些蛋白質和其他分子結合、從周圍的細胞質分離并且形成液滴時，形成團塊的過程便會開始。這些泡泡變得越來越黏，最終硬如巖石?！熬拖癜咽覝叵碌姆涿鄯湃氡??！碧锛{西州圣猶大兒童研究醫院分子神經遺傳學家Paul Taylor介紹說。他在同ALS相關的4種蛋白質中發現了相位分離。

錯誤相位或引發疾病

若干其他疾病可能也歸根于錯誤的相位。最近，馬薩諸塞州總醫院（MGH）分子生物物理學家Susanne Wegmann和同事描述了tau 蛋白質中的相位分離。tau 蛋白質會在阿爾茨海默氏癥患者的大腦中聚集形成纏結。相位分離“可能是發生這種聚集的初始觸發因素”。Wegmann表示，此項發現“開始將這些不同的神經退行性疾病之間的點連接起來”。

相位分離過程中的錯誤還可能促發一些癌癥。去年，由MGH分子病理學家Miguel Rivera領導的團隊辨別出一種同尤文氏肉瘤相關的蛋白質。當該蛋白質在同腫瘤形成相關的基因組片段附近聚集時，便會激發致癌基因的活性。異常的相位分離使蛋白質在這些區域累積。在日前于舊金山舉行的美國生物物理學會年會上，來自圣猶大兒童研究醫院的結構生物學家Tanja Mittag概述了一種通常將液滴內的致癌分子分離并且摧毀的蛋白質，如何在因液滴不再形成而發生突變時激發癌癥。

這些研究促使Hyman和MPI-CBG 生物化學家Simon Alberti提出，實際上任何同衰老相關的疾病可能都始于細胞失去對相位分離的控制。Alberti說，身體總是在為保持細胞“房屋”的井然有序而努力，“但在某些時刻，系統會崩潰”。

新工具帶來新活力

此類研究正在指明細胞中液滴的一些功能，但它們無法解釋為何一些成分會表現出相位分離，而其他的不會。這讓像Hyman一樣的研究人員感到挫敗?！拔覀儾坏貌欢x驅動相位分離的分子規則?！盚yman表示。為實現這一點，研究人員需要一種按自身意愿在活體細胞中探查、控制和融合該過程的方法。正如Brangwynne所言，“我們需要工具?！?/p>

普林斯頓大學一座建于上世紀70年代的混凝土大樓的3層有一個黑暗、無窗的房間。在那里，Lian Zhu彎腰觀察著一臺顯微鏡。一個點綴著紅色泡泡的人類細胞讓她的電腦屏幕亮了起來。上面的每個點表示一群經過相位分離后形成核仁的蛋白質。

Zhu是Brangwynne實驗室的一名博士生。他向細胞內的一個地方發射了藍色激光。幾秒鐘內，新的泡泡從黑色乙醚中出現。這些是來自核仁的被熒光標記的蛋白質。當被藍光照亮時，它們開始同該類型的其他蛋白質黏附在一起。超過特定閾值后，便會觸發相位分離。

這正是Zhu研究的細胞內發生的事情。紅色的小點是在開始相互合并前出現并且在屏幕周圍“起舞”的液滴?！斑@像一個魔術?！盳hu介紹說。通過令光量發生變化，Brangwynne及其團隊能將活體細胞內的各種液體“隔間”變得堅實或松散，并且觸發液滴出現或者消失。利用該工具，Zhu開始描述核仁液滴形成的條件，并且證實相位分離如何在核仁的某個部分發生但無法在其他部分出現。

Brangwynne希望，這個被稱為optoDroplet的工具將為相位分離研究帶來新的活力?！艾F在，我們實際上能接近對于非活體材料來說非常標準的細節水平。你能夠通過定量的方法理解實際上發生了什么?！盉rangwynne說。這或許是基礎生物學研究的一個巨大推動力，并且可能通過證實制造或者打破細胞內的液滴需要多大程度的操作，幫助研究人員研發出相關藥物。（宗華編譯）