调味瓶中的细胞生物学

　　当David Courson和Lindsay Moore抵达美国马萨诸塞州伍兹霍尔市参与夏日沟通项目时，他们期望测验一些新技术而且才智下高端显微镜。作为研讨生，两人从未想到会协助处理一个困扰研讨人员超越25年的生物学问题。

　　他们在海洋生物学实验室的导师让其破译由RNA和被称为P颗粒的蛋白组成的团粒如安在蠕虫胚胎内构成考虑到这些结构曾令生物学家困惑如此之久，这是一项难以完成的使命。不过，当Courson和Moore开端制作该进程的影片时，他们及其导师看到了一些在显微镜下产生的不同寻常的作业：就像熔岩灯里的泡泡相同，P颗粒也在不断地磕碰、兼并。

　　固体结构不会这样做，只要液体能做到。他们意识到，和此前大多数研讨人员以为的不同，P颗粒并非坚固的核。相反，它们体现得像被用力摇晃的调味瓶中的油滴先是散开，然后敏捷交融而且混组成较大的液体气泡。

　　在工程、化学和物理学范畴，这样的一个进程是一个基本概念，被称为液液相别离。当有外力推进两种液体分隔时，它便会产生，就像油在水面上漂浮。相位别离在自然界很遍及，而且在许多工业进程中至关重要。不过，它并非现在在欧道明大学作业的细胞生物学家Courson想到的点子。当看见P颗粒像液体相同交融时，“这真是一个了不得的时间”。Courson说，“但我并不了解它的含义。”

　　在时间短的夏日课程中，两人并没有更多时间剖析这一进程。不过，当他们的导师、细胞生物学家Tony Hyman和博士后、生物物理学家Cliff Brangwynne回来坐落德国马普学会分子细胞生物学与遗传学研讨所（MPI-CBG）的实验室时，二人展开了更多实验：将充溢P颗粒的蠕虫生殖腺夹在两片薄薄的玻璃板中心，而且让玻璃板滑动。在滑动的玻璃板产生的剪切应力下，固体会被轻揉出来，而P颗粒会交融、滴落而且构成珠状，就像雨滴落在伞上。

　　此刻，他们才了解这项发现的重要性。相位别离或许供给了一种调集特定分子并将其他分子扫除在外，从而在一片拥堵紊乱的细胞中创立次序的办法。Hyman表明，这是生物学家在使用任何正式、定量办法展开研讨时未曾考虑过的豪举。“这是人们从未想过要问的若干问题之一。”Hyman和Brangwynne在2009年宣布了他们的效果。

　　2011年，Hyman、哈佛大学医学院细胞生物学家Tim Mitchison和Brangwynne（同一年在普林斯顿大学建立了自己的实验室）证明，核仁细胞核中由遗传物质和蛋白质构成的密集团簇也体现出像液滴相同的行为。一年后，由均在得克萨斯大学西南医学中心作业的结构生物学家Michael Rosen和生物化学家Steven McKnight领导的独立团队研讨了试管中的蛋白质和RNA分子调集体。他们发现，这些分子被弱小地彼此招引在一起，并由此构成液滴和胶状泡泡。

　　和Brangwynne、Hyman此前的作业不同，这些在2012年展开的研讨证明，使用相对简略的生物化学“处方”，相位别离可在试管中再现。Rosen表明，这使得在实验室中研讨相位别离变得简单许多，而且从那里开端，“该范畴开端迸发”。

　　线年头。其时，由加拿大多伦多病患儿童医院结构生物学家Julie Forman-Kay领导的团队发现，一种对功用有重要含义的蛋白质会在人类细胞内构成液滴。尔后不到一年，好几个团队宣布了使用其“宠物”蛋白质证明相位别离存在的论文。

　　其间一些蛋白质触及疾病产生。研讨人员在运动神经元病，或许说肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）中发现了相位别离。ALS是一种神经退行性疾病，其特征是操控运动的神经细胞中的蛋白质构成反常团块。研讨证明，当这些蛋白质和其他分子结合、从周围的细胞质别离而且构成液滴时，构成团块的进程便会开端。这些泡泡渐渐的变黏，终究硬如岩石。“就像把室温下的蜂蜜放入冰箱。”田纳西州圣犹大儿童研讨医院分子神经遗传学家Paul Taylor介绍说。他在同ALS相关的4种蛋白质中发现了相位别离。

　　若干其他疾病或许也归根于过错的相位。最近，马萨诸塞州总医院（MGH）分子生物物理学家Susanne Wegmann和搭档描绘了tau 蛋白质中的相位别离。tau 蛋白质会在阿尔茨海默氏症患者的大脑中集合构成缠结。相位别离“或许是产生这种集合的初始触发要素”。Wegmann表明，此项发现“开端将这些不同的神经退行性疾病之间的点连接起来”。

　　相位别离进程中的过错还或许促发一些癌症。上一年，由MGH分子病理学家Miguel Rivera领导的团队辨别出一种同尤文氏肉瘤相关的蛋白质。当该蛋白质在同肿瘤构成相关的基因组片段邻近集合时，便会激起致癌基因的活性。反常的相位别离使蛋白质在这些区域累积。在日前于旧金山举办的美国生物物理学会年会上，来自圣犹大儿童研讨医院的结构生物学家Tanja Mittag概述了一种通常将液滴内的致癌分子别离而且炸毁的蛋白质，如安在因液滴不再构成而产生骤变时激起癌症。

　　这些研讨促进Hyman和MPI-CBG 生物化学家Simon Alberti提出，实际上任何同变老相关的疾病或许都始于细胞失掉对相位别离的操控。Alberti说，身体总是在为坚持细胞“房子”的有条有理而尽力，“但在某些时间，体系会溃散”。

　　此类研讨正在指明细胞中液滴的一些功用，但它们无法解释为何一些成分会体现出相位别离，而其他的不会。这让像Hyman相同的研讨人员感到挫折。“咱们不得已界说驱动相位别离的分子规矩。”Hyman表明。为完成这一点，研讨人需求一种按本身志愿在活体细胞中探查、操控和交融该进程的办法。正如Brangwynne所言，“咱们应该东西。”

　　普林斯顿大学一座建于上世纪70年代的混凝土大楼的3层有一个漆黑、无窗的房间。在那里，Lian Zhu折腰调查着一台显微镜。一个点缀着赤色泡泡的人类细胞让她的电脑屏幕亮了起来。上面的每个点表明一群经过相位别离后构成核仁的蛋白质。

　　Zhu是Brangwynne实验室的一名博士生。他向细胞内的一个当地发射了蓝色激光。几秒钟内，新的泡泡从黑色中呈现。这些是来自核仁的被荧光符号的蛋白质。当被蓝光照亮时，它们开端同该类型的其他蛋白质黏附在一起。超越特定阈值后，便会触发相位别离。

　　这正是Zhu研讨的细胞内产生的作业。赤色的小点是在开端彼此兼并前呈现而且在屏幕周围“起舞”的液滴。“这像一个戏法。”Zhu介绍说。经过令光量产生显着的改变，Brangwynne及其团队能将活体细胞内的各种液体“隔间”变得坚实或松懈，而且触发液滴呈现或许消失。使用该东西，Zhu开端描绘核仁液滴构成的条件，而且证明相位别离如安在核仁的某个部分产生但无法在其他部分呈现。

　　Brangwynne期望，这个被称为optoDroplet的东西将为相位别离研讨带来新的生机。“现在，咱们实际上能挨近关于非活体资料来说十分规范的细节水平。你能够经过定量的办法了解实际上产生了什么。”Brangwynne说。这或许是根底生物学研讨的一个巨大推进力，而且或许经过证明制作或许打破细胞内的液滴需求多大程度的操作，协助研讨人员研宣布相关药物。（宗华编译）