蛋白质的液滴形态

蛋白质的液滴形态

胖头鱼鱼头

1．细胞内的液体结构（separated liquid phase）及其在神经疾病中的可能意义。

一句话摘要：细胞内有些蛋白质可以在液滴（油滴）、凝胶（果冻）和纤维沉淀（海胆……）三种形态之间转换，这一过程的病变有可能导致可怕的神经疾病。

一点背景

细胞是这样的：

里面充满了各式各样的小作坊：细胞核，线粒体，内质网，高尔基体，溶酶体，等等。

这些作坊都具有膜质结构，也就是用一层或两层油脂的膜把膜内的环境和细胞质分离开来。

但细胞里还有些其他的小作坊：

比如 P body. RNA granules. nucleolus（核内小体）。

它们也自成一体，但却没有一个膜包在外面。成分组成上，一般是一些蛋白质和 RNA 裹在一起，都是水溶性的物质，却不会分开，也不会打散了「溶解」在细胞质里。

这是一种怎样的物理结构哩。

2009 年，德国的 Hyman 实验室，第一次表明，在线虫细胞里的 P body，具有「液滴」（liquid drops）的性质。这就好比在水里的一滴一滴的油滴一样。油和水可以共存在一个体系里，但却不会互相融合。

判断是否具有液滴属性有三个基本标准：

1．形态：在正常、未有外力的情况下，表面张力导致液滴呈球形。

2．流动性：在液滴里的物质（RNA/蛋白质）应当可以无阻隔地任意流动。

3．结合性：两滴液滴互相靠近的时候，应当能够结合成一个新的大液滴。

有兴趣的同学可以研究下这篇文章（http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19460965 ）

后来几年，陆续又有报道表明，nucleoli 和一些其他的 RNA granules 也是一种「液滴」的存在。（http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21368180 ）

那么，是什么原因导致这样液滴的形成的呢？

研究这一问题的重要人物当属 UT Southwestern 的 Dr. Steven McKnight。McKnight 实验室首先于 2012 年发现：在试管中，提纯出来的一些蛋白质会在不同温度条件下，从液态变成水凝胶（hydrogel）的状态（水凝胶就是一种类似果冻的质地）。这些蛋白质都具有一个特性，都具备结合 RNA 的能力（RNA binding protein）。在氨基酸组成上，它们都有一段相似的序列结构，被称之为「LC domain」。（参考文献： sciencedirect.com 的页面）

把这个报道和之前的研究结合在一起，就有了一些很有意思的假说。因为细胞里大部分的这种「液滴」，里面的主要成分都是 RNA 和可以结合 RNA 的蛋白质，有很多都具有 LC 结构，那么会不会这些蛋白质的性质导致了「液滴」的存在，甚至在不同条件下，也可以像在试管里一样，从液滴变为凝胶状呢？

于是来到了 2015 年。首先，相继有井喷式的数篇报道验证表明了某些蛋白质可以在「液滴」、凝胶之间转换（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 的页面）。这些报道不仅验证了 McKnight 2012 年在试管里的实验，并且直接在细胞体内也观测到了液滴形态的存在。更进一步的是，这些液滴在一定的条件下，可以大量聚集在一起，形成固态的沉淀和纤维状突起。比如这样（Patel et al., 2015）：

液滴 大液滴 纤维状沉淀

来张纤维沉淀的特写：

活像一颗大海胆 :D

最勾起人们 G 点的是，这个海胆样的家伙大家以前见过，在老年痴呆患者的神经细胞里，满是这玩意。虽然是另外一种蛋白质（Abeta amyloid），但科学界的普遍看法是，正常情况下这种蛋白在细胞里好好的，慢慢地却会变质，会相互之间聚集在一起，从细胞质里沉淀出来，并且形成上图一样的发散形状的纤维结构。这种结构对细胞有毒，会渐渐杀死神经细胞。等脑子里的神经细胞死到一定数量，人就痴呆了。

不过在这一系列研究里，研究的对象并不是老年痴呆症里的这种 Abeta，而是具有结合 RNA 能力的一些蛋白，例如：FUS，hnRNPA1 和 hnRNPA2。这里重点讲一下 FUS。FUS 是一个和疾病有关的蛋白。FUS 基因的突变会导致一种神经退行性疾病：肌萎缩性侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS），俗称渐冻人症。主要病理为运动神经的逐渐死亡，随之带来肌肉萎缩、无法控制、瘫痪和呼吸困难（就跟霍金那样）。

有意思的是，之前提到的这几篇研究里都表明，带有 ALS 突变的 FUS 蛋白，相较于正常的 FUS，更容易自发地从液滴态聚集成沉淀，并且更难返回到液滴态。在正常液滴的模式下，蛋白和蛋白之间的互相作用和流动，以及它们所催化的生物反应，极有可能在形成固态沉淀之后，就变得缓慢甚至无法完成了。可以想象的是，因突变而异常的 FUS 功能受损，有可能影响到整个液滴作为一个独立的工作单元的生物职能，甚至最后导致了细胞的紊乱和凋亡，进而表现为疾病。其实不仅是 ALS，还有很多神经疾病，包括帕金森、舞蹈症、疯牛病等等，病理都显示有类似毒性的沉淀。所以这里研究的 FUS 沉淀的机理，可能同样适用于这些其他疾病。不过需要指出的是，FUS 沉淀和 Abeta 沉淀在性质上还是有差别的。（ALS/FTD Mutation-Induced Phase Transition of FUS Liquid Droplets and Reversible Hydrogels into Irreversible Hydrogels Impairs RNP Granule Function: Neuron）

综上，关于蛋白质液滴形态的发现，不仅开创了对非膜包裹的亚细胞结构机理的研究，在人类认识细胞运作的研究中有着巨大突破：更揭示了一个可能的导致神经疾病的机理。如果可以用一定手段减缓或者阻止液滴-->沉淀的反应，相信这会是一条很有希望治疗这些疾病的途径。

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- 放眼整个生物/生物工程领域，毫无疑问 CRISPR 是当下最火最前沿的发现和突破，具体的在 @Yang Liu 的回答（https://www.zhihu.com/question/38283839/answer/78337143 ）里已经很详尽了。

- 我在这里提两个基础的生命科学，具体来说是神经科学里的新发现。这两个研究还处在科学发现和研究阶段，暂时还没有医药的应用，虽然本人非常坚信它们日后不管是对人类了解生命本身，还是在医疗治病方面，都会有极大的重要性。

- 需要指出的是，两项研究都并非一夜之间从无到有，而是像 CRISPR 和大部分科学成果一样，都经历了起码几年的从原始发现，到更多的证据支持，直到在业内被认可其真实性和重要性的过程。

- <写得简直跟一段难啃的木头一样>

- 原谅鄙人拙劣的生物中文。

2016-01-02