大多數(shù)的生物學(xué)教科書中都提到，膜結(jié)構(gòu)是細(xì)胞中最重要的組織構(gòu)成形式。磷脂雙層膜包裹著線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體等多種細(xì)胞器，以分隔細(xì)胞器內(nèi)外的不同蛋白質(zhì)。其余的細(xì)胞組成部分則懸浮于細(xì)胞基質(zhì)中。細(xì)胞基質(zhì)中的蛋白質(zhì)偶爾會遇到其他的可結(jié)合分子，如底物和小分子藥物。
但是現(xiàn)在，這一情況正在逐漸變化。隨著科學(xué)研究的不斷深入，生物分子凝聚物，由蛋白質(zhì)和RNA組成的暫時性流體液滴，被發(fā)掘了出來。人們將這些生物分子凝聚物稱為無膜細(xì)胞器。關(guān)于這些無膜細(xì)胞器結(jié)構(gòu)和生物物理學(xué)特性的研究在過去的10年里突飛猛進(jìn)?？茖W(xué)家和藥物研發(fā)者們也越來越重視這一獨特的生物學(xué)結(jié)構(gòu)。
我們將近期發(fā)表于《Nature Reviews Drug Discovery》上有關(guān)無膜細(xì)胞器的一篇文章編譯和整理成了上下兩篇。本文是上篇，主要介紹了無膜細(xì)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膜細(xì)胞器研究對醫(yī)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(jù)表明，這些通過被稱為液-液相分離的過程形成的無膜細(xì)胞器，與健康和疾病關(guān)系密切。在某些情況下，它們似乎起著坩堝一樣的作用，加速其組分之間的反應(yīng)，并且防止自己的組分與自身結(jié)構(gòu)以外的分子接觸。影響無膜細(xì)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)。
距離無膜細(xì)胞器首次被報道已經(jīng)經(jīng)過了一個多世紀(jì)。早在1899年，細(xì)胞生物學(xué)先驅(qū)Edmund Beecher Wilson就在《Science》雜志的一篇綜述中描述了無膜細(xì)胞器的廣泛存在，并且這些結(jié)構(gòu)在數(shù)十年中都存在于細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖之中。但是，由于人們對這些結(jié)構(gòu)在細(xì)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)注這個領(lǐng)域。
大約十年前，這種情況開始發(fā)生變化。
圖1：從細(xì)胞核（N）中滴出的P質(zhì)粒（紅線圈出部分）
圖片來源：Clifford P.Brangwynne,Christian R.Eckmann,et al.Germline P Granules Are Liquid Droplets That Localize by Controlled Dissolution/Condensation.Science.324,1729(2009).
2009年，當(dāng)時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在通過顯微鏡觀察秀麗隱桿線蟲的胚胎。他們最初的目的是想了解P顆粒（線蟲的生殖質(zhì)，由RNA和RNA結(jié)合蛋白構(gòu)成）的起源，但在觀察過程中他們發(fā)現(xiàn)，P顆粒的表現(xiàn)像是油醋汁中的油滴，從細(xì)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(yīng)用于描述特定無膜細(xì)胞器上而成為了里程碑式的論著。
圖2：顯微注射針頭推動下觀察到的核仁融合
圖3：綠色熒光蛋白標(biāo)記下觀察到的核仁融合
圖片來源：Clifford P.Brangwynne,Timothy J.Mitchison,et al.Active liquid-like behavior of nuleoli determines their size and shap in Xenopus laevis oocytes.Proc.Natl.Acad.Sci.108,4334(2011)
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(xì)胞核中形成，在核糖體組裝中扮演著重要角色的結(jié)構(gòu)）具有類似的流體特性并依賴于相變作用。他們在非洲爪蟾的胚泡細(xì)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，兩個核仁開始發(fā)生緩慢的融合，并最終形成一個更大的球體（圖2）。隨后他們又將GFP（綠色熒光蛋白）標(biāo)記的NO145（核仁外圍絲狀網(wǎng)絡(luò)的重要組成蛋白）轉(zhuǎn)入胚泡細(xì)胞中。在綠色熒光蛋白標(biāo)記下，可以通過核仁的外圍明顯的綠色熒光信號，觀察到自然情況下發(fā)生的核仁融合（圖3）。
不久之后，研究人員在各種無膜細(xì)胞器中都發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，包括卡哈爾體，核散斑體，應(yīng)激顆粒，RNA轉(zhuǎn)運顆粒等。
圖4：真核細(xì)胞中的無膜細(xì)胞器
圖片來源：Salman F.Banani,Hyun O.Lee,et al.Biomolecular condensates:organizers of cellular biochemistry.Nat Rev Mol Cell Biol.18,285(2017)
與此同時，研究人員也在試圖破譯這些結(jié)構(gòu)快速形成和分解的生物物理學(xué)基礎(chǔ)，并已經(jīng)取得了部分進(jìn)展。例如，2012年，UT西南醫(yī)學(xué)中心的生物物理學(xué)家Michael Rosen及其同事在《Nature》雜志上描述了多價大分子能夠?qū)崿F(xiàn)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，有類似作用的多價大分子主要是具有內(nèi)在無序區(qū)域（IDRs，一種無法折疊形成穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域）的蛋白和RNA分子等。
這一現(xiàn)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(yī)院，長期致力于研究神經(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(qū)域中發(fā)生的突變與肌萎縮側(cè)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。
圖5：FUS蛋白在DNA損傷和應(yīng)急狀態(tài)下的細(xì)胞質(zhì)中形成生物分子凝聚物
圖6：FUS蛋白的突變型發(fā)生異常聚合
圖片來源：Avinash Patel,Hyun O.Lee,et al.A Liquid-to-Solid Phase Transition of the ALS Protein FUS Accelerated by Disease Mutation.Cell.162,1066-1077(2015).
在ALS中有關(guān)無膜細(xì)胞器的研究迅速展開。Dewpoint（一家致力于無膜細(xì)胞器研究的初創(chuàng)醫(yī)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，F(xiàn)US蛋白會在DNA損傷部位和應(yīng)激狀態(tài)下的細(xì)胞質(zhì)中形成無膜細(xì)胞器（圖5），并且與ALS相關(guān)的FUS突變會導(dǎo)致相變異常（圖6）。FUS蛋白在RNA的轉(zhuǎn)錄、剪接和microRNA的加工中發(fā)揮著重要的作用。此前的很多研究都證實了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(xiàn)則提出了一種FUS蛋白致病的可能原因。
圖7：HnRNPA1野生型和D262V突變型表現(xiàn)出不同的相變情況
圖片來源：Amandine Molliex,Jamshid Temirov,et al.Phase Separation by Low complexity Domains Promotes Stress Granule Assembly and Drives Pathological Fibrillization.Cell.163,123-133(2015).
Taylor與同事們在另一篇發(fā)表于Cell上的文章上表示，hnRNPA1也會經(jīng)歷液-液相分離，并且該蛋白與ALS相關(guān)的突變也會影響液-液相分離過程。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，與野生型的相變過程有明顯區(qū)別（圖7）。從研究結(jié)果上看，ALS相關(guān)的突變會影響無膜細(xì)胞器形成的動態(tài)過程，并且似乎會使部分結(jié)構(gòu)比正常情況下更粘稠。這一情況似乎會進(jìn)一步引發(fā)作為疾病標(biāo)志的包涵體纖維化。Taylor估計，異常的相變過程引起了90％以上的ALS病例。
圖8：具有多個CAG重復(fù)的RNA在細(xì)胞核中聚集成無膜細(xì)胞器
圖片來源：Ankur Jain,Ronald D.Vale.RNA phase transitions in repeat expansion disorders.Nature.546,243(2017).
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(fù)序列增多而引起的疾病，包括亨廷頓氏舞蹈癥、肌營養(yǎng)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(xiàn)，具有多個重復(fù)CAG三聯(lián)子（亨廷頓氏舞蹈癥的主要致病原因）的RNA會在轉(zhuǎn)錄后聚集形成無膜細(xì)胞器，并且與CAG的重復(fù)次數(shù)呈正相關(guān)。同樣的情況也發(fā)生在具有多個CCCCGG重復(fù)（ALS的主要致病原因）的RNA上。
圖9：磷酸化的tau441蛋白自發(fā)的聚集形成無膜細(xì)胞器
