蛋白質的液滴形態(tài)

胖頭魚魚頭

1．細胞內(nèi)的液體結構（separated liquid phase）及其在神經(jīng)疾病中的可能意義。

一句話摘要：細胞內(nèi)有些蛋白質可以在液滴（油滴）、凝膠（果凍）和纖維沉淀（海膽……）三種形態(tài)之間轉換，這一過程的病變有可能導致可怕的神經(jīng)疾病。

一點背景

細胞是這樣的：

里面充滿了各式各樣的小作坊：細胞核，線粒體，內(nèi)質網(wǎng)，高爾基體，溶酶體，等等。

這些作坊都具有膜質結構，也就是用一層或兩層油脂的膜把膜內(nèi)的環(huán)境和細胞質分離開來。

但細胞里還有些其他的小作坊：

比如 P body. RNA granules. nucleolus（核內(nèi)小體）。

它們也自成一體，但卻沒有一個膜包在外面。成分組成上，一般是一些蛋白質和 RNA 裹在一起，都是水溶性的物質，卻不會分開，也不會打散了「溶解」在細胞質里。

這是一種怎樣的物理結構哩。

2009 年，德國的 Hyman 實驗室，第一次表明，在線蟲細胞里的 P body，具有「液滴」（liquid drops）的性質。這就好比在水里的一滴一滴的油滴一樣。油和水可以共存在一個體系里，但卻不會互相融合。

判斷是否具有液滴屬性有三個基本標準：

1．形態(tài)：在正常、未有外力的情況下，表面張力導致液滴呈球形。

2．流動性：在液滴里的物質（RNA/蛋白質）應當可以無阻隔地任意流動。

3．結合性：兩滴液滴互相靠近的時候，應當能夠結合成一個新的大液滴。

有興趣的同學可以研究下這篇文章（http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19460965 ）

后來幾年，陸續(xù)又有報道表明，nucleoli 和一些其他的 RNA granules 也是一種「液滴」的存在。（http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21368180 ）

那么，是什么原因導致這樣液滴的形成的呢？

研究這一問題的重要人物當屬 UT Southwestern 的 Dr. Steven McKnight。McKnight 實驗室首先于 2012 年發(fā)現(xiàn)：在試管中，提純出來的一些蛋白質會在不同溫度條件下，從液態(tài)變成水凝膠（hydrogel）的狀態(tài)（水凝膠就是一種類似果凍的質地）。這些蛋白質都具有一個特性，都具備結合 RNA 的能力（RNA binding protein）。在氨基酸組成上，它們都有一段相似的序列結構，被稱之為「LC domain」。（參考文獻： sciencedirect.com 的頁面）

把這個報道和之前的研究結合在一起，就有了一些很有意思的假說。因為細胞里大部分的這種「液滴」，里面的主要成分都是 RNA 和可以結合 RNA 的蛋白質，有很多都具有 LC 結構，那么會不會這些蛋白質的性質導致了「液滴」的存在，甚至在不同條件下，也可以像在試管里一樣，從液滴變?yōu)槟z狀呢？

于是來到了 2015 年。首先，相繼有井噴式的數(shù)篇報道驗證表明了某些蛋白質可以在「液滴」、凝膠之間轉換（http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26455390 ; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26412307 ; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26317470; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26544936; cell.com 的頁面）。這些報道不僅驗證了 McKnight 2012 年在試管里的實驗，并且直接在細胞體內(nèi)也觀測到了液滴形態(tài)的存在。更進一步的是，這些液滴在一定的條件下，可以大量聚集在一起，形成固態(tài)的沉淀和纖維狀突起。比如這樣（Patel et al., 2015）：

液滴 大液滴 纖維狀沉淀

來張纖維沉淀的特寫：

活像一顆大海膽 :D

最勾起人們 G 點的是，這個海膽樣的家伙大家以前見過，在老年癡呆患者的神經(jīng)細胞里，滿是這玩意。雖然是另外一種蛋白質（Abeta amyloid），但科學界的普遍看法是，正常情況下這種蛋白在細胞里好好的，慢慢地卻會變質，會相互之間聚集在一起，從細胞質里沉淀出來，并且形成上圖一樣的發(fā)散形狀的纖維結構。這種結構對細胞有毒，會漸漸殺死神經(jīng)細胞。等腦子里的神經(jīng)細胞死到一定數(shù)量，人就癡呆了。

不過在這一系列研究里，研究的對象并不是老年癡呆癥里的這種 Abeta，而是具有結合 RNA 能力的一些蛋白，例如：FUS，hnRNPA1 和 hnRNPA2。這里重點講一下 FUS。FUS 是一個和疾病有關的蛋白。FUS 基因的突變會導致一種神經(jīng)退行性疾?。杭∥s性側索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS），俗稱漸凍人癥。主要病理為運動神經(jīng)的逐漸死亡，隨之帶來肌肉萎縮、無法控制、癱瘓和呼吸困難（就跟霍金那樣）。

有意思的是，之前提到的這幾篇研究里都表明，帶有 ALS 突變的 FUS 蛋白，相較于正常的 FUS，更容易自發(fā)地從液滴態(tài)聚集成沉淀，并且更難返回到液滴態(tài)。在正常液滴的模式下，蛋白和蛋白之間的互相作用和流動，以及它們所催化的生物反應，極有可能在形成固態(tài)沉淀之后，就變得緩慢甚至無法完成了?？梢韵胂蟮氖牵蛲蛔兌惓５?FUS 功能受損，有可能影響到整個液滴作為一個獨立的工作單元的生物職能，甚至最后導致了細胞的紊亂和凋亡，進而表現(xiàn)為疾病。其實不僅是 ALS，還有很多神經(jīng)疾病，包括帕金森、舞蹈癥、瘋牛病等等，病理都顯示有類似毒性的沉淀。所以這里研究的 FUS 沉淀的機理，可能同樣適用于這些其他疾病。不過需要指出的是，F(xiàn)US 沉淀和 Abeta 沉淀在性質上還是有差別的。（ALS/FTD Mutation-Induced Phase Transition of FUS Liquid Droplets and Reversible Hydrogels into Irreversible Hydrogels Impairs RNP Granule Function: Neuron）

綜上，關于蛋白質液滴形態(tài)的發(fā)現(xiàn)，不僅開創(chuàng)了對非膜包裹的亞細胞結構機理的研究，在人類認識細胞運作的研究中有著巨大突破：更揭示了一個可能的導致神經(jīng)疾病的機理。如果可以用一定手段減緩或者阻止液滴-->沉淀的反應，相信這會是一條很有希望治療這些疾病的途徑。

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- 放眼整個生物/生物工程領域，毫無疑問 CRISPR 是當下最火最前沿的發(fā)現(xiàn)和突破，具體的在 @Yang Liu 的回答（https://www.zhihu.com/question/38283839/answer/78337143 ）里已經(jīng)很詳盡了。

- 我在這里提兩個基礎的生命科學，具體來說是神經(jīng)科學里的新發(fā)現(xiàn)。這兩個研究還處在科學發(fā)現(xiàn)和研究階段，暫時還沒有醫(yī)藥的應用，雖然本人非常堅信它們?nèi)蘸蟛还苁菍θ祟惲私馍旧?，還是在醫(yī)療治病方面，都會有極大的重要性。

- 需要指出的是，兩項研究都并非一夜之間從無到有，而是像 CRISPR 和大部分科學成果一樣，都經(jīng)歷了起碼幾年的從原始發(fā)現(xiàn)，到更多的證據(jù)支持，直到在業(yè)內(nèi)被認可其真實性和重要性的過程。

- <寫得簡直跟一段難啃的木頭一樣>

- 原諒鄙人拙劣的生物中文。

2016-01-02