大多數(shù)的生物學教科書中都提到，膜結構是細胞中最重要的組織構成形式。磷脂雙層膜包裹著線粒體、內質網(wǎng)、溶酶體等多種細胞器，以分隔細胞器內外的不同蛋白質。其余的細胞組成部分則懸浮于細胞基質中。細胞基質中的蛋白質偶爾會遇到其他的可結合分子，如底物和小分子藥物。
但是現(xiàn)在，這一情況正在逐漸變化。隨著科學研究的不斷深入，生物分子凝聚物，由蛋白質和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胞器。關于這些無膜細胞器結構和生物物理學特性的研究在過去的10年里突飛猛進?？茖W家和藥物研發(fā)者們也越來越重視這一獨特的生物學結構。
我們將近期發(fā)表于《Nature Reviews Drug Discovery》上有關無膜細胞器的一篇文章編譯和整理成了上下兩篇。本文是上篇，主要介紹了無膜細胞器研究的歷史及其與疾病之間的關系。隨后發(fā)表的下篇則將分析無膜細胞器研究對醫(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胞器，與健康和疾病關系密切。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，并且防止自己的組分與自身結構以外的分子接觸。影響無膜細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。
在細胞中默默無聞了上百年的無膜細胞器
距離無膜細胞器首次被報道已經(jīng)經(jīng)過了一個多世紀。早在1899年，細胞生物學先驅Edmund Beecher Wilson就在《Science》雜志的一篇綜述中描述了無膜細胞器的廣泛存在，并且這些結構在數(shù)十年中都存在于細胞結構圖之中。但是，由于人們對這些結構在細胞中的作用及其組分的生物物理學特性知之甚少，極少有研究人員關注這個領域。
大約十年前，這種情況開始發(fā)生變化。
2009年，當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，由RNA和RNA結合蛋白構成）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，從細胞核中滴落，相互融合，并迅速在基質中發(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”的概念應用于描述特定無膜細胞器上而成為了里程碑式的論著。
兩年后，Brangwynne及其同事在《美國國家科學院院刊》上進一步報道，核仁（一種在細胞核中形成，在核糖體組裝中扮演著重要角色的結構）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）標記的NO145（核仁外圍絲狀網(wǎng)絡的重要組成蛋白）轉入胚泡細胞中。在綠色熒光蛋白標記下，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，應激顆粒，RNA轉運顆粒等。
與此同時，研究人員也在試圖破譯這些結構快速形成和分解的生物物理學基礎，并已經(jīng)取得了部分進展。例如，2012年，UT西南醫(yī)學中心的生物物理學家Michael Rosen及其同事在《Nature》雜志上描述了多價大分子能夠實現(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在無序區(qū)域（IDRs，一種無法折疊形成穩(wěn)定三維結構的蛋白質結構域）的蛋白和RNA分子等。
大量證據(jù)證明無膜細胞器與疾病之間存在關聯(lián)
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索硬化癥（ALS）有關。到2015年，有關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重要。
在ALS中有關無膜細胞器的研究迅速展開。Dewpoint（一家致力于無膜細胞器研究的初創(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損傷部位和應激狀態(tài)下的細胞質中形成無膜細胞器（圖5），并且與ALS相關的FUS突變會導致相變異常（圖6）。FUS蛋白在RNA的轉錄、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系。而這一發(fā)現(xiàn)則提出了一種FUS蛋白致病的可能原因。
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）。從研究結果上看，ALS相關的突變會影響無膜細胞器形成的動態(tài)過程，并且似乎會使部分結構比正常情況下更粘稠。這一情況似乎會進一步引發(fā)作為疾病標志的包涵體纖維化。Taylor估計，異常的相變過程引起了90％以上的ALS病例。
其他神經(jīng)退行性疾病也可能與液-液相變有關。2017年，Ankur Jain和Ron Vale在《Nature》的一篇文章中提到，一系列由于重復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CAG三聯(lián)子（亨廷頓氏舞蹈癥的主要致病原因）的RNA會在轉錄后聚集形成無膜細胞器，并且與CAG的重復次數(shù)呈正相關。同樣的情況也發(fā)生在具有多個CCCCGG重復（ALS的主要致病原因）的RNA上。
在2018年，Taylor及其同事報道，阿爾茨海默病罪魁禍首之一的可溶性tau蛋白也會形成凝聚物。無論是外源表達的tau蛋白還是從病人標本中分離出的tau蛋白都會發(fā)生液-液相分離過程。這些tau蛋白會在數(shù)十分鐘內形成膠狀凝聚物，并在接下來的幾天中越聚越大。
無膜細胞器似乎與癌癥也有關系。2016年，馬薩諸塞州綜合醫(yī)院病理學家Miguel Rivera及其同事發(fā)文稱，在Ewing肉瘤中，相變機制可能會引起并保持原癌基因調控程序。2018年，圣裘德兒童研究醫(yī)院的結構生物學家Tanja Mittag發(fā)現(xiàn)抑癌蛋白SPOP在無膜細胞器非常活躍。更重要的是，癌癥相關的SPOP突變會干擾蛋白的底物共定位，影響蛋白的相分離能力和抑癌能力(圖10）。
Taylor補充說，由于IDRs在整個蛋白質組中廣泛存在，這些發(fā)現(xiàn)已經(jīng)吸引了全球各地細胞生物學家的目光。“許多科學家突然意識到他們一直在研究的蛋白質存在生物學相關的相變過程，而他們竟然從未意識到過。”他說。
針對于無膜細胞器的獨特性質，已經(jīng)有醫(yī)藥初創(chuàng)公司開始向這個領域布局，跨國藥企也在密切的關注著這一領域的下一步進展。無膜細胞器究竟將如何為醫(yī)療健康領域賦能？又有什么樣的問題困擾著這一初生領域的發(fā)展？我們將在下一篇文章中繼續(xù)解析這一領域的當前現(xiàn)狀與未來發(fā)展，敬請期待。
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