生物大分子的「相變」——簡談近期系列「相變」研究成果
編者按：生物大分子的「相變」或者說「相分離」應該說近幾年來生命科學領域裡面發展非常迅速的熱門領域。然而很多同行卻表示自己還沒搞清楚「相分離」到底是怎麼回事它就已經火了。為什麼說火了？除了同行私底下交談關於最新學術進展可以約莫了解一些之外，另一個風向標是觀察以CNS為代表的雜誌發表相關論文的情況。截止到今日，2018年Science雜誌就發表了3篇，而Cell雜誌前不久一次性又發表了4篇。這種某個時期「研究井噴」的現象一般在某個領域剛出現不久的情況也很常見，例如2006年出現iPS細胞後的一段時期以及2009年DNA去甲基化酶TET出現後的幾年。生物大分子「相分離」領域和iPS細胞還有TET的發現還不一樣，至今依然有很多人對這個概念難以接受甚至有意的忽視。為了讓更多同行讀者能夠對「相分離」有一個基本認識，BioArt特別邀請到了本領域的權威專家、清華大學生命科學學院李丕龍研究員（2012年在Nature上發表了體外系統研究相變領域的第一篇文章）對近期的系列工作撰寫了非常有見地和深度的評論文章，以饗讀者！
今年4月19日出版的Cell雜誌中的4篇「相分離」相關論文
撰文丨李丕龍（清華大學）
責編丨迦 漵
「生物大分子相變」（簡稱「相變」，Phase transition）是最近幾年生化/細胞生物學上一個新興起的研究領域（BioArt注：無膜細胞器如核仁、有絲分裂紡錘體、中心體、各種細胞體和RNA顆粒，以及一些質膜下的信號傳導複合體的形成都是由特定組分的相變過程驅動的，多種人類疾病如神經退行性疾病也與生物大分子的相變密切相關）。前不久，Nature有一個NEWS FEATURE，簡單介紹了這個領域的發展歷史及研究進展（Dolginet al., 2018）， 「自然科研」做了翻譯（https://mp.weixin.qq.com/s/Fkq5m2I3HulsKHrCYDEycg）。這篇文章對2017年及以前的主要成果大多都涉及到了，在這裡就不一一重複。只不過這篇NEWS FEATURE漏掉了美國卡內基科學研究所鄭詣先研究員和中科院生化細胞所朱學良老師的BuGZ「相變」的文章（Jiang et al., 2015）。這篇文章用大量數據和嚴格的邏輯證明BuGZ的「相變」對其功能至關重要（BioArt註：BuGZ是一個Intrinsically disordered蛋白，能夠影響微管的組裝，BuGZ富含的進化上保守的疏水性區域，能通過分子間的疏水相互作用使BuGZ形成大小不一的液滴狀結構，並從水溶液中分離出來。液滴的形成是可逆的，符合物質的相變特徵。最終發現BuGZ的相變促進了紡錘體基質的組裝和紡錘體的形成，從而更進一步地揭示了這個蛋白對紡錘體以及其基質的組裝的功能。另外，這項研究也解釋了為什麼在紡錘體基質里看不到像微管那樣的特異的固體結構）。鼓勵大家也讀一下。
總的來說，1、大家認識到了「相變」在細胞里普遍存在。在今後的幾年到十幾年裡，會有大量研究證明「相變」在更多的通路中發揮重要的生理功能；2、大家也開始認識到了「相變」失調是一些疾病（尤其是神經/肌肉退行性疾病）的病理病因；3、據我所知，所有這個領域的科學家都期望通過「相變」這個視角重新審視相關疾病，通過干擾異常「相變」來達到治療相關疾病的目的。
我們基於上述第一點和第二點中的觀察不難推斷出，細胞一定演變出嚴格調控「相變」的機制，使之只在正確的時間及正確的地點發生。例如，翻譯後修飾和分子伴侶的結合是其中兩種（最）基本的調控機制。充分利用細胞里這些已有的「調控相變的機制」干擾異常「相變」是達到治療疾病的重要突破口。
本領域及相關疾病領域對上述第三點的等待可能不需要太久。最近一期的Cell雜誌（Cell，173(3)， April 19，2018）里有四篇文章同時報道了對稱或非對稱精氨酸二甲基化做為翻譯後修飾和核轉運蛋白（transportin-1/karypherinβ2/TNPO1）做為分子伴侶抑制FUS（BioArt注：FUS全稱為Fused in sarcoma，是一種漸動人症ALS中關鍵致病蛋白，也是一種RNA結合蛋白）等RNA結合蛋白（RBP）的相關的「相變」 (Guo et al., 2018; Hofweber et al., 2018; Qamar et al., 2018; Yoshizawa et al., 2018) 。這四篇文章從不同角度，用不同但互補的實驗方法得到了相同的結論。同期的一篇Minireview專門對這四篇文章做了很好的總結（Mikhaleva and Lemke，2018）。沒有必要在此重複具體細節。
在我個人看來，上述四篇Cell論文中最具有啟示意義的數據結果如下：一些導致疾病的突變引起的異常「相變」對核轉運蛋白TNPO1的反應有兩類，第一類仍然能結合TNPO1，它們的異常「相變」會被TNPO1抑制；第二類則失去或部分失去結合TNPO1的能力，它們的異常「相變」也不會被TNPO1抑制。第一類突變仍然致病的可能原因是過多的異常「相變」overwhelm TNPO1的抑制作用，同時把TNPO1帶進異常「相變」反而干擾TNPO1的正常功能--核轉運。所以，能上調TNPO1的藥物可能減輕甚至治療第一類突變導致的疾病。第二類突變來說，能加強與TNPO1結合的藥物可能達到治療的效果。
TNPO1能調控FUS等RBP的「相變」不應該是個例，有理由認為細胞內有若干其它生物大分子能特異的調控上述RBP及其它突變導致疾病蛋白（如Tau，Wegmann et al., 2018）的異常「相變」。利用細胞里這些已有的「調控相變的機制」干擾異常「相變」可能達到治療疾病的目的。所以，這四篇文章為實現前面所述的第三點邁出了堅實的第一步——為理論上的可行性提供一個實際案例。當更多學術界或工業界的科學家把目光和資源轉向這個全新的視角，有可能在死胡同許久的神經/肌肉退行性疾病的治療前景會豁然開朗。
編後記：「相變」這個領域的發展勢頭非常強勁，前不久蘇州冷泉港的染色質會議上就有不少專家閑聊的時候討論「相分離」的問題。如果染色質領域中的一些關鍵爭議問題從生物大分子「相分離」的角度考慮，可能就不存在非此即彼的爭論了。不過可以預見的是，雖然本次冷泉港染色質大會上的報告找到「相分離」相關的還是難事，那麼下一次（2020）的會議想必可能會有更多染色質與「相分離」的故事呈現。
參考文獻：
Dolgin, E. (2018). What lava lamps and vinaigrette can teach us about cell biology.Nature, 555(7696), 300.
Guo, L., Kim, H.J., Wang, H., Monaghan, J., Freyermuth, F., Sung, J.C., O』Donovan, K., Fare, C.M., Diaz, Z., Singh, N., et al. (2018). Nuclear-import receptors reverse aberrant phase transitions of RNA-binding proteins with prion-like domains.Cell173. Published online April 19, 2018. https://doi.org/ 10.1016/j.cell.2018.03.002.
Hofweber, M., Hutten, S., Bourgeois, B., Spreitzer, E., Niedner-Boblenz, A., Schifferer, M., Ruepp, M., Simons, M., Niessing, D., Madl, T., and Dormann, D. (2018). Phase separation of FUS is suppressed by its nuclear import recep- tor and arginine methylation.Cell173. Published online April 19, 2018. https:// doi.org/10.1016/j.cell.2018.03.004.
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Qamar, S.W., Wang, G., Randle, S.J., Ruggeri, F.S., Varela, J.A., Lin, J.Q., Phillips, E.C., Miyashita, A., Williams, D., Stro ? hl, F., et al. (2018). FUS Phase is Regulated by Methylation of Cooperative Cross-Domain Cation-e Interac- tions and TNPO1.Cell173. Published online April 19, 2018. https://doi.org/ 10.1016/j.cell.2018.03.056.
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Wegmann, S., Eftekharzadeh, B., Tepper, K., Zolltowska, K.M., et al.(2018). Tau protein liquid-liquid phase separation can initiate tau aggregation.EMBO J. 37(7). https://doi.org/10.15252/embj.201798049.
Yoshizawa, T., Ali, R., Jiou, J., Fung, H.Y.J., Burke, K.A., Kim, S.J., Lin, Y., Peeples, W.B., Saltzberg, D., Soniat, M., et al. (2018). Nuclear import receptor inhibits phase separation of FUS through binding to multiple sites.Cell173. Published online April 19, 2018. https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.03.003.
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