近几年,生物大分子的液-液相分离(liquid-liquid phase separation,LLPS)的研究受到极大关注。相分离是指生物大分子在细胞内的一种特殊动态聚集状态,处于相分离态的生物大分子,例如蛋白质也被比作“无膜细胞器”。这类无膜细胞器介导细胞的各种生理活动和功能,对细胞的基因表达、信号传导、应激响应等有着重要的作用。在正常的生理状态下,体内相分离是动态变化且维持稳态性,一旦出现异常的相分离则预示着疾病的发生,包括神经退行性疾病、肿瘤和炎症等。神经退行性疾病是神经元和神经髓鞘功能异常或丧失进而出现认知、运动和语言障碍的一类疾病,这类疾病的发病机制主要包括基因突变、蛋白质异常聚集、氧化应激异常和线粒体功能异常等。神经退行性疾病中蛋白质异常聚集被证明是相分离现象,例如Tau(microtubule-associated protein-Tau)异常相分离诱发的阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)、FUS(fused in sarcoma/translocated in liposarcoma)相分离诱发的肌萎缩脊髓侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)等。蛋白质的翻译后修饰(PTM)在调控细胞功能中具有重要作用,通过磷酸化、甲基化、乙酰化等修饰影响蛋白质相分离的发生和进程。本文将从蛋白质相分离的概念、相分离发生的生物化学基础以及翻译后修饰调控的相分离在神经退行性疾病的作用进行阐述。

细胞区室化(compartmentation)有助于分隔不同的生化反应,使其相互不产生干扰。有膜细胞器是通过生物膜把细胞内不同的空间分隔,进而实现细胞区室化。研究发现,细胞区室化也会通过细胞中无膜细胞器实现,但核仁等无膜区室的形成机制一直未得到明确。“液-液相分离”(liquid-liquid phase separation, LLPS)机制的发现,为解开无膜区室的谜题提供了全新的思路。现在认为,多种蛋白质和RNA也是通过LLPS机制形成局部的高浓度冷凝物,发挥更强或独特的基因表达调控、细胞信号转导等功能。LLPS的形成主要依赖于蛋白质和/或核酸之间的多价态非共价键相互作用,主要包括由低复杂序列区域介导的相分离及由多个重复结构域间特异性作用介导的相分离。组分浓度、pH和翻译后修饰等条件均能改变分子多价相互作用的强度,从而调节相分离和相变过程。蛋白质相分离的失调与肌萎缩性侧索硬化症、阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈症和帕金森病等多种神经退行性疾病的发生有关。在这些退行性疾病中,已发现TDP-43、FUS、Ataxin-2、Tau蛋白等致病基因的突变,以及修饰会导致LLPS异常而形成病理特征性的聚集体。但这些聚集体是否是神经退行性致病的直接致病因素尚未明确。

编者按 液-液相分离是众多胞内无膜颗粒动态组装的主要驱动力。近年来随着相分离相关研究不断涌现，新的相分离蛋白层出不穷，涉及多种重要的胞内无膜颗粒及生物学过程。为此，我们邀请李婷婷副教授解读胞内无膜颗粒的形成机制与生物功能。李婷婷团队在过去数年中收集整合相分离蛋白信息，构建了包含体内外实验验证的液-液相分离蛋白数据库PhaSepDB，构建了相分离与无膜细胞器相关疾病数据库MloDisDB，并创建深度神经网络DeepPhase预测潜在的相分离蛋白。本文旨在通过系统阐述胞内无膜颗粒的性质与功能，呼吁研究人员利用数据资源推动胞内无膜颗粒的相关研究。
摘要  为了保证细胞内各种生化反应和调控过程的有序进行，细胞内存在一系列隔室将不同的生物分子分隔开来。这其中除了有膜细胞器，还存在一类无膜细胞器或无膜颗粒，使得具有特定功能的蛋白质和核酸在不同无膜颗粒中聚集，保证相应生化过程在特定时空条件下高效进行。大量的研究证据表明，液-液相分离(liquid-liquid phase separation, LLPS)是介导胞内无膜颗粒凝聚形成的重要机制。本文首先围绕相分离介绍了胞内无膜颗粒的形成机制；进一步总结部分胞内无膜颗粒的功能，以及相分离在其行使生理功能时发挥的重要作用；最后总结相分离数据库及其所常采信的实验方法，期望通过对胞内无膜颗粒形成机制、生物功能及相分离数据资源的总结，为初入领域的科研工作者提供参考，并推进高通量方法在相关领域研究的应用与发展。

近年来，液-液相分离（简称相分离）因其独特的功能与组织性，在细胞生物学研究中发展迅速。细胞内部分蛋白质及核酸（多为RNA）等生物大分子通过由多种弱多价相互作用及构象熵共同介导的相变（phase transition）形成无膜细胞器（membraneless organelles, MLOs）。这些无膜结构具有明显的流体性质，包括其圆形外表、可浸润、滴落和彼此融合，并具有动态的内部成分交换。在体内形成的无膜细胞器，广泛参与到包括细胞膜信号传导、膜结合蛋白质组装、染色质重塑、RNA代谢、突触传递、活跃转录中心形成、有丝分裂结构形成，以及蛋白质病理性转变等多种重要的细胞内信号调控过程。本文从相分离的研究背景，相分离发生的分子机制，正常相分离过程参与的多种细胞生理活动，异常相分离与神经性疾病及癌症发生的关系等方面，阐述了生物大分子的相分离在细胞信号调控过程中的普遍性及重要作用，并对研究相分离的实验技术和常用的相分离数据库进行了介绍。生物大分子相分离行为的发现，为重新理解众多结构及细胞生物学现象提供了全新的角度，生物大分子相分离可能作为一种新的生物学过程，帮助重新认识众多信号通路的调控方式，也有望为相关疾病的治疗提供新的方向。