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“如果你做出了一项发现，起初人们告诉你这不可能是正确的，然后他们最终转而告诉你‘我们早就知道了’，那么你可能就有所发现了。” 这句俏皮话一直萦绕在 克利福德·布兰温内的脑海中。对于这位普林斯顿大学的生物物理学家来说，这“完全发生在我们关于细胞内液相的发现上”。
想象一下具有不同性质的液体，它们不会真正混合，但在特定情况下会像熔岩灯中移动的液滴一样聚集和分离。这种现象，也称为液-液相分离，曾经被认为是一个完全的化学过程。但不到十年前，布兰温内成为最早观察到它也发生在细胞内部的人之一，从那时起，生物学家一直在努力了解它的意义。
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现在科学家们开始理解，进化已经调整了某些蛋白质，使其像液体一样聚集。通过相分离，它们自发地自组装成动态的、无膜的、液滴状的结构，这些结构可以在细胞中执行所需的任务。
“不知何故，没有人想到分子的这种能力可以被进化利用来实现功能或调节功能，” 马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所 (MPICBG) 在德累斯顿的生物学家西蒙·阿尔贝蒂说。“焦点一直放在单个分子上，而不是集体上。”
同样在德累斯顿的马克斯·普朗克复杂系统物理研究所的生物物理学家瓦西里·扎布尔达耶夫说，这项突破对我们理解细胞组织和功能具有重大意义。最新的发现之一是，当某些类型的细胞被剥夺营养或受到其他压力时，相分离使它们能够躲避死亡。相分离使细胞能够将其细胞质的大部分从液体变成固体——本质上是将自己置于坚韧的静止状态，直到营养物质恢复。
没有膜的细胞器
19 世纪的细胞生物学家创造了细胞器（拉丁语“小器官”）一词来描述他们看到的细胞内部的微小成分。即使在当时，该领域的先驱，如美国细胞生物学家埃德蒙·比彻·威尔逊，也怀疑填充细胞的胶状细胞质可能包含各种液体，“就像悬浮的液滴……具有不同的化学性质”。然而，这种早期的见解在生物学中几乎一个世纪都没有得到重视：研究人员只是假设任何液滴状的细胞细胞器都必须有一个封装的脂质膜，以防止其内容物与细胞质重新混合。
尽管如此，加州大学欧文分校的 L. 丹尼斯·史密斯和美国国家环境健康科学研究所的爱德华·米切尔·埃迪等研究人员在 20 世纪 60 年代和 70 年代早期的电子显微镜显示，一些细胞器似乎根本没有任何膜。人们继续发现了更多无膜结构，例如核仁，细胞核中的致密结构。然而，直到 2009 年，它们是如何以及为什么形成的尚不清楚。
那一年，当布兰温内还是 MPICBG 的一位年轻博士后时，他和他的同事克里斯蒂安·埃克曼以及他的导师托尼·海曼看到了一些意想不到的事情。他们正在观察秀丽隐杆线虫细胞内称为 P 颗粒的细胞器的不均匀和不一致的分布。P 颗粒被广泛认为是 RNA 和蛋白质的致密颗粒。但布兰温内、埃克曼和海曼发现，颗粒根本不是固体的。相反，它们似乎是正在聚结的液滴，有时会形成更大的液滴，就像充分摇匀的油醋汁中的油一样。
“这是一个偶然的发现，”布兰温内说。“当我们发现它们是液体时，我们一直在进行的一些定量测量突然变得完全有意义了。” 它也改变了生物学家对细胞工作方式的理解。
布兰温内、埃克曼和海曼的最初工作引发了大量论文，研究了各种细胞质蛋白在各种条件下的组装和分散。越来越多的证据表明，细胞已经进化出一种微调的机制，通过相分离来组织其一些内部结构和过程——也就是说，让蛋白质自组装成可以执行不同功能的结构。
德克萨斯大学西南医学中心达拉斯分校的结构生物学家和生物物理学系主任迈克尔·罗森是第一个在实验室中用某些蛋白质和 RNA 分子重现这种相分离的人，这些蛋白质和 RNA 分子可以聚结成液滴。相分离似乎为蛋白质提供了一种可逆的方式，使其在条件合适时能够排列和再次分离。
然而，在某些情况下，研究人员正在了解到，这个过程是不可逆的——而这种失败代表了与包括神经退行性疾病和癌症在内的广泛疾病相关的蛋白质的功能障碍。例如，扎布尔达耶夫观察到，与某些疾病相关的蛋白质的几种突变形式表现出异常的相分离行为。“它们不是形成漂亮的液滴，而是形成非常奇怪的刺猬状结构，”他说。
凝固以求生存
扎布尔达耶夫和他的几位同事，包括阿尔贝蒂，对蛋白质在细胞受到诸如温度下降和营养物质突然消失等压力时会发生什么感到好奇，因此决定进行检查。他们发现的令人惊讶的结果是，相分离可能是细胞生存机制的一部分。
细胞的行为可以比作熊的冬眠。这种动物静静地躺在休眠状态数周，最大限度地减少能量消耗。在细胞层面，相分离有助于凝胶状细胞质保护性地过渡到更固体的状态。“在这种‘凝固’状态下，细胞可以在饥饿中生存，”扎布尔达耶夫说。
研究人员通过剥夺酵母和变形虫的营养物质来研究这种现象。没有营养物质意味着没有能量，酵母细胞需要能量将质子泵出细胞质，以维持对其生物化学至关重要的中性 pH 值。“通过饥饿，细胞酸化了，”扎布尔达耶夫说。在更酸性的条件下，蛋白质很容易从溶解状态变为更浓缩和固体的状态，并且充分混合的细胞质分离成凝胶状液滴簇。
仅仅通过改变细胞环境的酸度，科学家们就可以诱导它们切换到这种生存状态，即使不去除细胞的营养物质。细胞可以以这种方式休息数小时甚至数天。“我们发现细胞非常坚硬，以至于它们保持了形状”，而不是可变形的，阿尔贝蒂说。它们“过渡到完全不同的物质状态”。
当它们的正常 pH 值后来恢复时，细胞恢复正常，“分裂并快乐地生活着，”扎布尔达耶夫说。
科学家们发现，他们还可以通过渗透作用完全脱水酵母来触发相分离和凝固。然而，不同类型的压力似乎会诱导略微不同的固态。阿尔贝蒂说，具体如何运作“是我们尚不理解的”。
尽管如此，实验揭示的生存机制非常简单，阿尔贝蒂说：当存在压力时，广泛的相分离导致整个细胞质的刚化，并且细胞关闭其新陈代谢，就像冬眠的熊安顿下来过冬一样。
与冬眠的比较可能不仅仅是比喻。“冬眠哺乳动物的细胞内部也可能凝固，”阿尔贝蒂说。“这是应对这些环境变化的完美方式，因为凝固是免费的。能量来自温度变化或 pH 值下降。” 然而，相分离参与其中的假设仍需要检验，他说。
为了代谢控制而固定
最近，阿尔贝蒂的团队一直在分子水平上探测细胞质蛋白质对压力的相分离反应。他们特别感兴趣的是它与细胞代谢控制的关系。
阿尔贝蒂说，关闭某物的完美方法是将其放入固体材料中，该材料可以可逆地固定它，直到再次需要它。“这是一种保护分子免受损害的方式，同时也是关闭它们、存储它们以供以后使用的方式。”
该团队发现，当蛋白质具有某个可识别的结构域或区域时，蛋白质将很容易形成可逆的凝胶。在没有该结构域的情况下，蛋白质会形成不可逆的组装类型——永久地将其从进一步使用中移除。
实际上，该结构域修饰了蛋白质的相行为并使其保持可重复使用。“该结构域为该蛋白质提供了一种新的可能性，即组装成良性的凝胶，而不是你无法从中恢复的东西，”阿尔贝蒂说。
在一个试管实验中，研究人员取出一个含有单一类型蛋白质的溶液并降低其 pH 值。他们看到蛋白质分子从溶液中相分离并形成凝胶状液滴。然后他们将 pH 值恢复到中性，使凝胶溶解，“完全展示了我们在细胞中看到的情况，”阿尔贝蒂说。
这些结果表明，自然界已经设计了结构域序列来调整蛋白质的材料特性。缅因州巴尔港 MDI 生物学实验室的生物学家达斯汀·厄普代克说，这非常有益，因为它为细胞提供了“一种应对突发压力的机制，例如热休克、pH 值或渗透压”。他解释说，细胞中的调节机制通常在基因水平上起作用，这意味着它们依赖于到达细胞核的信号，启动基因转录和适当酶的制造。但这些事件需要时间。相比之下，相分离非常迅速——并且可以对压力提供几乎即时的反应。
它真的重要吗？
扎布尔达耶夫认为，理解细胞中相分离的精确机制和影响可能与一系列重大的生物学挑战高度相关——从器官保存和衰老研究一直到太空旅行。
例如，最近，耶鲁大学的神经科学家皮耶特罗·德·卡米利和他的同事发现了证据表明，相分离可能参与了突触处神经递质的受控释放。人们观察到，含有神经递质的囊泡通常成簇地悬停在突触前膜附近，直到需要它们。德·卡米利的团队表明，一种称为突触素 1 的支架蛋白与其他蛋白质一起凝聚成液相，将囊泡结合成这些簇。当突触素被磷酸化时，液滴迅速消散，囊泡被释放，将神经递质释放到突触中。
但这仍处于早期阶段。当布兰温内和他的同事十年前发表他们的论文时，生物学家的反应要么是完全难以置信，要么是希望有一个全新的研究方向。正如厄普代克指出的那样，细胞生物学家很难从从蛋白质聚集的角度思考现象转变为更复杂的液相分离问题，这需要流体动力学来描述。
“对我来说，克利夫的工作是一个巨大的进步，它更好地描述了 P 颗粒的性质以及我们所看到的东西，”厄普代克说，部分原因是它也解释了为什么 P 颗粒在二十多年里一直未能进行生化纯化。“你可以纯化颗粒，但纯化更类似于油滴的东西则更具挑战性。”
正如厄普代克和布兰温内所说，随着越来越多的科学论文支持相分离作为一种细胞机制的概念，怀疑论者的数量不断减少。然而，问题仍然存在。
“其中一个批评是，有些人说每种蛋白质都可以做到这一点，”阿尔贝蒂说。在科学界，众所周知，在各种条件下浓缩蛋白质有时会使它们凝固或液化。“但从来没有这种想法，即细胞实际上可以使用这种方法，进化实际上会采取行动并利用生物分子的这种能力来实现功能变化，例如下调新陈代谢。”
德国神经退行性疾病中心 (DZNE) 的生物学家苏珊·韦格曼说，“到目前为止，尚未证明蛋白质的相分离实际发生在活的多细胞生物中。” 因此，细胞中相分离与神经科学和其他领域复杂问题的相关性尚不确定。“我们和其他人正在努力建立这种联系，但这当然非常困难且技术上具有挑战性。如果事实证明蛋白质凝聚与人类疾病（如神经退行性疾病）有关，那么我们必须找到聪明的方法来以特定的方式进行干预。”
哈佛医学院系统生物学教授蒂姆·米奇森对相分离是否是生物学中普遍重要的概念持怀疑态度。“除了少数特定例子，如应激颗粒外，我还没有看到细胞细胞质中相分离的太多证据，”他说。这个概念似乎在细胞生物学之外并没有找到太多受众：许多研究人员要么还没有听说过相分离，要么正在忽略这项研究。
“也许[他们]在等待，直到有更多的功能性证据，”米奇森说。他指出，如果有足够的合适溶剂，几乎任何蛋白质或 RNA 都可以进行相分离。“但尚不清楚其中有多少在生理上是相关的。我完全相信相分离是一回事，尤其是在 RNA-蛋白质生物学中，”他说。“我不太清楚它有多普遍。”
布兰温内似乎并没有因这种保留意见而感到不安。他认为，一些怀疑论者“正在提出非常有效的问题，关于这一切对细胞功能和功能障碍意味着什么，这仍然没有得到很好的理解。” 他说，其他人可能仍在适应预测性定量模型的想法，“但那是生物学的未来”。
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