细胞里住着“液态机器人”？西湖大学首次揭示无膜细胞器分层奥秘

学术研究

2023年11月17日

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电影《终结者》里，液态金属机器人T-1000没有固定的外形，可以变成人形，也可以变成地板。即便被液氮冻裂成碎块，还是可以重新凝聚，继续工作。如此炸裂的能力，其实我们每个人身上都能找到影子——在细胞内部，液滴状态的各种“部件”参与着复杂的生命活动。

只是，细胞拥有“液态部件”的超能力，是近十几年才被科学界关注到的。

2009年，科学家在线虫细胞里首次发现了液滴状的生殖颗粒。这些液滴状态的物质是一种无膜细胞器，没有传统的“外壳”（即膜结构），而是通过形成液态的聚集体来执行生命任务。一些多层无膜细胞器的聚集体互不融合，却又合作分工，共同完成细胞内重要的生理过程。这一发现打开了人类对细胞内结构的新认知。

但十余年来，对于多层无膜细胞器的科学研究主要聚焦于生命发育、免疫、疾病等重要生命过程的作用，其分层结构的形成机制这一关键科学问题亟待解决。

伦敦时间11月16日16时，西湖大学理学院张鑫团队在《自然-化学生物学》Nature Chemical Biology发文，借助新型环境敏感型荧光分子，系统性地揭示了微观极性对于生物凝聚体分层结构的关键性控制作用。这项工作为理解细胞内多层无膜细胞器的形貌和功能调控提供了全新分子机制层面的理论。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41589-023-01477-1

瞄准细胞里的“液态机器人”

谁在指挥它们？

我们常常把细胞比喻成机器，实际上，我们也是这样理解的。

细胞内通常包含细胞核、线粒体、高尔基体等“部件”。这些“部件”都有着明确的“外壳”，也就是细胞器膜。而无膜细胞器的广泛研究，却是非常晚的事情，中间隔了差不多180年。

2009年，Clifford Brangwynne等人发现线虫的生殖质P颗粒是以无膜的、液滴的形式存在于其生殖细胞内。由此开始，这种无膜细胞器被引入到生物研究领域，越来越多的无膜细胞器被相继发现，他们和生命活动的复杂关系，也逐渐被揭开。

尽管大多数液滴形貌的无膜细胞器仅有单一聚集体，但少数的无膜细胞器具有多层、互不融合的聚集体。以这次张鑫实验室的实验对象核仁为例，它位于细胞核中，没有膜结构，并且在内部呈现出三个液态聚集体——纤维中心（FC）、致密纤维组分（DFC）、颗粒组分（GC）。

核仁结构示意图和显微镜成像图片

在正常生理状态下，这三层结构互不融合，却又合作分工，共同完成细胞内核糖体合成等重要生理功能。过去的研究多数聚焦于揭秘核仁中每一层聚集体的生理作用，而对于它们的分层结构是如何形成的这一关键基础问题，缺少准确回答。比如，这三层聚集体为什么不会相互融合？它们是依据什么化学规律来决定谁在内谁在外呢？等等。

“生物聚集体化学”是张鑫实验室长期的研究方向。他们善于从化学角度和分子层面解释包括生物聚集在内的生命现象的本质。这是一个跨学科的研究过程，包括合成化学、细胞生物学、生物化学及化学生物学等。

这一次，他们把目光聚焦在无膜细胞器能“凝聚”成液滴并形成分层的“底层逻辑”——从细胞微环境的极性角度，寻找突破口。

巧用荧光分子锁定“极性”：

真正的“指挥官”是它

其实，我们对“分层”并不陌生，最经典的就是油和水。

油和水的“分层”，从微观上讲是非极性油脂分子相互聚集以减少与极性的水分子的相互作用。以此为基础，张鑫实验室猜想，生物聚集体的分层，也是由于不同分层结构微环境的极性控制的。

何谓极性？简单地说，它与分子电荷分布有关。分子电荷分布越不均匀，极性就越大。比如水分子就是一个典型的极性分子，而大部分油脂分子电荷分布相对均匀，属于非极性分子。宏观物质的一些物理性质，如溶解性大小、熔点高低、沸点高低等等，其实都与分子的极性相关。而无膜细胞器的微观极性，可以看作是小范围内分子极性的总和，代表着无膜细胞器中独特的化学微环境。

模型蛋白序列、SBD结构和模型蛋白形成液滴的荧光寿命成像示意图

问题是，在如此微观的层面，人类如何观察到极性对于生物凝聚体分层结构的控制作用？

这里就要介绍张鑫实验室开发的极性敏感型荧光分子SBD。此前，荧光分子主要通过“荧光强度”来量化，但为了更准确评估极性环境，张鑫实验室开创性地使用了“荧光寿命”，而非“荧光强度”，来定量表征生物聚集体内的微观环境的参数。

在这里，我们不对背后复杂的机制展开讲述，你可以通俗地理解为，极性敏感荧光分子在激光激发下发光，而它的发光时间受到环境极性大小的影响，极性越强的环境，发光时间越短。

有了极性敏感荧光分子，就有了捕捉极性环境的利器。

张鑫团队首先在试管中诱导形成蛋白质液滴，用来模拟无膜细胞器。然后将SBD荧光分子引入到蛋白质液滴中，通过荧光寿命成像的方式展示了液滴的微观极性。尽管这些液滴从外观上看起来大体相似，但是进入不同液滴中的荧光分子，寿命差距却十分明显，这就证明这些液滴具有截然不同的极性。

体外成像实验验证模型蛋白分层结构和微观极性的关系

接下来，研究团队将各种蛋白质液滴两两混合在一起，一共15组，进一步研究液滴分层结构和极性的关系。在显微镜下看到，两种蛋白质混合形成的液滴会产生复杂的混溶情况，有些情况下会完全混溶，有些情况下会形成分层结构。进一步研究那些形成分成结构的液滴，果然发现与微观极性有关：即不同蛋白质液滴的极性差距决定液滴是否分层，并且蛋白质液滴极性的相对大小，决定了其在分层结构的相对位置。这些发现为理解生物聚集体的分层机制提供了重要的物理化学依据。

微观极性控制核仁等无膜细胞器的分层结构

在模型蛋白中获得验证后，研究团队进一步在动物细胞中验证微观极性是否控制多层无膜细胞器的分层结构。他们转染并表达了核仁关键蛋白质，将改良的SBD探针定向标记到核仁的不同分层结构中。

这些真实细胞中的实验同样发现，微观极性决定了无膜细胞器的分层的相对排布。

在健康核仁中，最外层的颗粒组分（GC）包裹着内部的致密纤维组分（DFC），核仁GC层也相较于DFC层展现出更强的极性。然而，当研究团队用实验手段改变核仁的结构，让内层的DFC翻转到GC外侧时，SBD探针显示，这两层聚集体的极性也随之发生了反转——这说明极性大小和分层现象如影随形。

张鑫团队的这项研究首次揭示了极性在控制多层无膜细胞器分层现象上的决定性作用，其归纳的化学规律对于理解乃至干预体内分层无膜细胞器的调控提供了直接理论依据。无膜细胞器内独特的微观环境对其在生命活动中的作用有着极其重要的影响，其微环境的异常也被证实与多种神经退行性疾病和癌症相关。因此，靶向无膜细胞器，从而调节其微环境的分子也是相关药物研发的重要方向。

此外，张鑫团队在本项研究中所开发的荧光寿命成像结合环境敏感型荧光探针的实验方法，不仅可以用于无膜细胞器微环境性质的测量，也可以拓展到其他的细胞空间中，从而将微环境的定量表征拓展至更广泛的生命科学研究中。

新闻背后

张鑫（左）与本文一作叶松涛

本文一作是西湖大学博士后叶松涛，我们问他，研究过程中最难的是什么？他沉吟片刻后回答：“最难的不是研究本身，而是为什么会去研究这个课题？”大家对分层现象已经司空见惯，很少有人会问为什么会出现分层这样的基础问题，又或者即使问到这个问题，答案也就是“分层是功能需求”这么简单，但张鑫却刨根问底，追踪到更加基础的、物理化学的层面。这不禁让我们想起了他在课堂上总是一次次追问学生：“Why is it？" 以及经常挂在嘴边的“科研 taste”。从某种意义上说，提出问题比解决问题更重要。

致谢

西湖大学理学院化学系张鑫教授为本文通讯作者。西湖大学张鑫课题组博士后叶松涛为本文第一作者；科研助理唐宇琦，博士后熊家亨和博士研究生陈俊霖、罗峰参与了研究工作。麻省理工学院化学系Bin Zhang教授及研究生Andrew Latham和中国科学院大连化学物理研究所刘宇研究员参与了部分研究工作。本项目获得了皮尤慈善信托基金会、西湖大学未来产业研究中心和国家自然科学基金委的资助；项目实施过程中得到了西湖大学分子科学公共实验平台的大力支持。