鑽石舞台

哈利·波特魔藥（Potions）

生物分子凝聚物（Condensates）是在沒有膜包被的情況下通過液-液相分離而形成的細胞隔室【1】。如今，液-液相分離已經變成了一個細胞內組織的新原理和新方式。多種無膜細胞器網絡比如應激顆粒、Cajal小體以及剪接小體等均是由蛋白質與RNA等生物大分子利用多價態低親和的結合位點組織起來的【1】。體外生物大分子的純合和重建實驗已經證明了液-液相分離現象的存在，並且該現象作為細胞內無膜細胞器組織的基本原理的重要性也被逐步證明。與體外凝聚體一樣，細胞內凝聚體也會表現出一系列的動態行為，但生物體內的凝聚體的行為並不總是符合體外的理論預測。這一現象引發了科學家們的關注，可以想見體內的生物大分子凝聚體是受到精密調控的，而這一調控的真面目還尚未被揭開。為了對這一問題進行解析，找到線蟲體內調節相分離凝聚體的調節「魔藥」，美國約翰·霍普金斯大學Geraldine Seydoux研究組在Science發文題為Regulation of biomolecular condensates by interfacial protein clusters，發現了線蟲P顆粒在卵母細胞向合子轉化過程中受到MEG蛋白的調控，降低P顆粒表面張力，防止其乳化以及粗化（Coarsening），確保P顆粒在合子極化過程中被精確調控從而促進線蟲發育的正常進行。

P顆粒是第一個被發現在體內由液-液相分離形成的大分子凝聚體【2】。隨後Hyman研究組進一步對P顆粒中的內容物進行了解析，並通過體外重建的實驗發現PGL-3和MEX-5之間對mRNA的競爭可以調節PGL-3液滴的形成從而調控P顆粒的極化【3】。而在2018年，張宏研究組進一步對P顆粒的調節進行了研究，通過大規模篩選發現促進P顆粒的液-液相分離的受體蛋白以及調節和控制P顆粒大小的支架蛋白EPG-2，並提出EPG-2通過將P顆粒轉化為動態性較差的凝膠狀態而調控P顆粒在體內的行為【4】（詳見：Cell丨張宏組揭示mTOR調控相變以及自噬性降解的機制）。

由此可以發現在卵母細胞的成熟過程中有多種因子調節P顆粒的動態行為，其中就包括前面提到的RNA結合蛋白MEX-5、具有內在無序序列的MEG家族蛋白以及DYRK激酶家族中的MBK-2蛋白。在缺乏MBK-2或者是缺乏MEG蛋白的情況下胞質前端P顆粒不能正常溶解，但此時MEX-5蛋白的表達其實是正常的。這一現象引發了作者們的興趣，說明說明除了RNA競爭機制外，P顆粒的動態行為還需要其他分子機制的介導。

通過超分辨三維共聚焦顯微鏡，作者們發現MEG-3會在PGL-3的表面形成的顆粒狀的蛋白簇（圖1），體外蛋白重建與體內的結果是一致的。而且，作者們還發現MEG-3的蛋白簇對於稀釋、高溫以及鹽離子的處理都有抵抗性，但P顆粒在這些條件下都會發生溶解。通過熒光漂白恢復實驗，作者們發現 MEG-3的凝聚體與溶液環境交換更慢，單分子的實驗進一步證實MEG-3吸附在P顆粒表面並且形成具有動態性較差的蛋白簇。

圖1 MEG-3在P顆粒界面形成表面蛋白簇

這一現象以及MEG-3的物理化學性質使得作者們想到了無機乳劑現象，該現象又被稱為皮克林乳液（Pickering emulsions）【5,6】。皮克林乳液現象最初由Ramsden在1904年提出並進行描述的，隨後又再1907被Pickering進一步完善。該現象指的是一定尺寸大小的固體粒子代替表面活性劑穩定乳液的體系。舉例來說，油水混合，小油滴分散在水中，隨着時間進展，小油滴會逐漸融合。在洗碗的過程中加入的洗潔精便是表面活性劑，可以使得小油滴乳化，更容易清洗。皮克林乳液相較於表面活性劑促進產生的乳液體系更加穩定，更不容易受到pH值、鹽濃度、溫度等環境因素的影響。MEG-3形成的P顆粒界面蛋白簇凝聚體便符合皮克林乳液穩定劑的特徵。

作者們發現MEG-3在不影響粘度的情況下會很快降低P顆粒的表面張力。先前的也有體外的研究表明隨着時間的進展，P顆粒組成蛋白會逐漸的老化形成麥克斯韋玻璃（詳見：Science | 蛋白凝聚體變「老」了什麼樣兒？科學家：會變成麥克斯韋玻璃）。但是作者們在體內和體外的結果表明，MEG-3表面蛋白簇會降低PGL-3顆粒的表面張力並且會促進形成一個防止融合的物理屏障。

圖2極化過程中的MEG蛋白促進P顆粒乳液不對稱生長

在P顆粒極化過程中，P顆粒在胞質前端溶解，這一溶解過程需要的MBK-2激酶的參與，在哺乳動物中的同源蛋白DYRK3對有絲分裂期凝聚體的溶解具有調節功能【7】。作者們發現MBK-2會降低P顆粒中蛋白組分的粘度，而MEG-3會作為體內的「魔藥」，抑制P顆粒的融合和粗化（圖2）。在P顆粒極化過程中，MBK-2被招募到PGL-3凝聚體中，這種招募在meg蛋白突變胚胎中減少。

圖3 皮克林乳液穩定劑工作模型

總的來說，作者們工作發現在P顆粒組分飽和條件下激酶加速動力學促使凝聚體迅速生長，允許環境分子進入凝聚體，在皮克林乳液穩定劑MEG-3存在的條件下，P顆粒的表面張力降低，粗化過程變慢。因此，在極化過程中MEG蛋白作為穩定劑，調節P顆粒的動態行為以及極化過程，確保發育過程的穩健進行。

1 Hyman, A. A., Weber, C. A. & Jülicher, F. Liquid-liquid phase separation in biology. Annual review of cell and developmental biology 30, 39-58, doi:10.1146/annurev-cellbio-100913-013325 (2014).

2 Brangwynne, C. P. et al. Germline P granules are liquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation. Science (New York, N.Y.) 324, 1729-1732, doi:10.1126/science.1172046 (2009).

3 Saha, S. et al. Polar Positioning of Phase-Separated Liquid Compartments in Cells Regulated by an mRNA Competition Mechanism. Cell 166, 1572-1584.e1516, doi:10.1016/j.cell.2016.08.006 (2016).

4 Zhang, G., Wang, Z., Du, Z. & Zhang, H. mTOR Regulates Phase Separation of PGL Granules to Modulate Their Autophagic Degradation. Cell 174, 1492-1506.e1422, doi:10.1016/j.cell.2018.08.006 (2018).

5 Ramsden, W. J. P. o. t. r. S. o. L. Separation of solids in the surface-layers of solutions and 『suspensions』(observations on surface-membranes, bubbles, emulsions, and mechanical coagulation).—Preliminary account. 72, 156-164 (1904).

6 Pickering, S. U. J. J. C. S., Trans. Cxcvi. 91, 2001-2021 (1907).

7 Rai, A. K., Chen, J. X., Selbach, M. & Pelkmans, L. Kinase-controlled phase transition of membraneless organelles in mitosis. Nature 559, 211-216, doi:10.1038/s41586-018-0279-8 (2018).