生物分子凝聚体演化全景：从生命起源前到亚细胞多样性的奥秘探索

本综述系统梳理了生物分子凝聚体（biomolecular condensates）从生命起源前到现代细胞的演化历程，揭示了其通过液-液相分离（LLPS）机制在物种间形成功能保守区室的核心规律。文章重点讨论了凝聚体蛋白组的动态特性、无序/有序结构域的共同驱动机制，以及其在细菌至哺乳动物中的广泛存在性，特别强调了相分离在原始分子选择、生化反应浓缩及早期生命演化中的关键作用，为理解亚细胞组织原理和生命起源提供了全新视角。

　　

1. 生物分子凝聚体与 coacervates

生物分子凝聚体通过高时空分辨率的区室化机制实现亚细胞组分的快速信号响应。虽然部分凝聚体的形成机制、组分和功能已被阐明，但其在生物界的分布规律、进化历史和起源仍待深入探索。现代研究证实，不仅无序蛋白（IDRs），完全结构化的蛋白质同样能驱动凝聚体形成。从进化视角看，区室化对地球生命演化具有决定性意义，它将自我复制分子和代谢网络包裹成自然选择的基本单元。

传统观点认为细胞区室主要依赖磷脂膜结构，但古菌和原核细胞几乎不存在内膜结构。2009年关于线虫P颗粒的研究首次在体内观察到液-液相分离（LLPS）现象，尽管这类无膜细胞器早在1980年代就被发现。相分离包含两种形式： segregative phase separation（大分子相互排斥）和associative phase separation（带相反电荷聚合物吸引形成coacervates）。Oparin于1938年首次提出coacervation在生命起源中的作用，而现今采用"condensate"作为coacervates、合成凝聚体和生物分子凝聚体的统称。

2. 凝聚体蛋白的混杂性

2.1. 动态变化的凝聚体组成

凝聚体蛋白组具有高度动态性，能响应环境变化调整组成。例如应激颗粒的蛋白多样性约20%取决于应激类型或细胞类型。超分辨显微镜显示应激颗粒存在稳定核心结构和动态外壳层，类似现象也见于处理小体（P-bodies）的mRNA组成变化。这种动态特性使凝聚体能够快速响应环境变化，维持细胞稳态，与静态的化学计量结构和膜结合细胞器形成鲜明对比。

2.2. 蛋白的兼职功能与混杂定位

许多凝聚体蛋白可同时定位到多个生物分子凝聚体。人类应激颗粒与处理小体共享284个蛋白（约占处理小体蛋白组的50%）。核内RNA结合蛋白在应激条件下会穿梭到细胞质，导致核内斑点与细胞质应激颗粒蛋白组的显著重叠。例如 fibrillarin 在人类核仁中是驱动蛋白，同时又是Cajal小体和处理小体的成员。这种混杂定位的分子机制和触发因素仍是待解之谜。

3. 驱动凝聚体形成的序列与结构决定因素

相分离通常由多价弱相互作用驱动。内在无序区域（IDRs）因其结构灵活性和多重弱结合位点而擅长介导瞬时结合，如RGG motif与RNA的互作驱动应激颗粒形成，FUS蛋白中酪氨酸残基与精氨酸残基的相互作用。然而，结构化蛋白质同样能参与并驱动凝聚体形成，如完全有序的C9orf72蛋白和SPOP蛋白。通过AlphaFold等结构预测工具发现，凝聚体驱动蛋白呈现广泛的结构无序性分布。

多价性可通过结构化域上的重复相同或相似作用位点实现。改变结构化域与改变IDR同样能影响凝聚体形成。机器学习算法如PICNIC已能准确预测跨物种的凝聚体形成蛋白，表明对有序蛋白凝聚化的系统探索成为可能。

4. 蛋白相分离的进化保守性

虽然许多蛋白在过表达时能在细胞内形成凝聚体，但其生物学功能往往不明确。追踪相分离能力的进化保守性可为功能提供证据。有丝分裂无序蛋白BuGZ在植物和动物最后共同祖先存在的16亿年间保持相分离能力保守。酵母Ded1p同源物的凝聚化表现出对各自生物最适生长温度的适应性调谐。

酵母朊蛋白Sup35形成可逆的pH响应性凝聚体，而其裂殖酵母同源物虽形成应激诱导凝聚体却缺乏朊病毒能力，表明凝聚体形成是Sup35的祖先功能。FUS蛋白的朊病毒样结构域在相分离中起关键作用，其酪氨酸残基在哺乳动物中高度保守。这些研究表明凝聚体形成常受功能选择压力而进化保守。

5. 生命之树中的凝聚体

5.1. 核仁在真核生物中的保守性

核仁是所有真核细胞中最大的生物分子凝聚体，作为核糖体生物发生中心发挥功能。哺乳动物核仁包含三个同心亚区室：纤维中心（FC）、致密纤维组分（DFC）和颗粒组分（GC），各区室浓缩不同生物分子并执行 distinct 功能。大多数真核生物仅有两个核仁亚区室，第三区室可能从无羊膜动物到羊膜动物的进化过渡中出现。

核仁蛋白组包含与核糖体生物发生无关的蛋白，参与基因组稳定性信号传导、营养改变响应、蛋白质质量控制和衰老等过程。阿斯加德古菌编码核仁蛋白同源物，如fibrillarin和NOP56/58，以及进行rRNA修饰的小核仁RNA同源物，暗示古菌中可能存在类核仁结构。

5.2. 凝聚体形成作为普遍应激响应机制

应激颗粒存在于所有真核生物中，响应热应激、渗透应激、营养饥饿等多种环境变化。植物细胞中应激颗粒同样由热、缺氧、高盐和氧化应激诱导。这些区室形成的共同机制是翻译关闭产生未被核糖体占据的mRNA池，随后由G3BP蛋白家族交联形成应激颗粒。

哺乳动物应激颗粒呈液体样，而酵母应激颗粒更接近固体状，需要分子伴侣或化学扰动才能溶解。超分辨技术揭示应激颗粒存在两个不同层：稳定的内核和密度较低且更动态的外壳。分子伴侣和蛋白酶体系统通过 refolding 和降解错误折叠蛋白来管理应激诱导的蛋白解折叠，当不堪重负时，错误折叠蛋白聚集并被隔离在aggresomes中。

5.3. 细菌凝聚体

细菌细胞的小尺寸（如大肠杆菌直径约1μm）对亚微米级区室的成像提出挑战。近年来多个细菌凝聚体被发现或重新分类，包括类核、羧酶体、细菌核糖核蛋白体（BR-bodies）、包含体、多磷酸颗粒、分裂体和极性组装体。

新发现表明凝聚体在调控细胞分裂（胞质分裂）中发挥作用，作为应激传感器调节细菌信号传导和环境适应。ATP除了作为能量货币外，还作为 hydrotrope 通过物理化学活性促进全局蛋白溶解度。磷酸水平调节BR-bodies的凝聚体形成和酶活性，其中RNase E的无序C端结构域在α-变形菌中功能保守，作为BR-body组装的核心支架。

5.4. 植物特异性凝聚体

植物特异性凝聚体包括D-bodies、光小体和pyrenoids。D-bodies是负责植物microRNA生物发生的核区室，光小体对光信号至关重要，通过LLPS在核内形成，响应光强和温度变化动态调整其大小和数量。

CO₂固定酶Rubisco是地球上最丰富的蛋白质，在许多真核藻类和一些非维管植物中，Rubisco聚集在称为pyrenoids的微区室中。莱茵衣藻的pyrenoid是液体样凝聚体，在细胞分裂过程中溶解并在子细胞中重新凝聚。在分子水平上，凝聚由两个组分介导：Rubisco复合物本身和主要无序的连接蛋白EPYC1，形成特异性低亲和力键的多价网络。

5.5. 真菌凝聚体

真菌界的凝聚体包括仅在应激或其他环境触发时形成的瞬时凝聚体。酿酒酵母中温度、pH或代谢应激（如饥饿）触发应激颗粒组装， sequestration mRNA从而调节蛋白表达。酵母和哺乳动物应激颗粒共享相似组分，支持共同进化起源。

缺氧条件下细胞质中形成糖酵解小体（G-bodies），浓缩糖酵解酶并促进葡萄糖消耗。类似G-body的凝聚体在缺氧应激下的人肝癌细胞中观察到，表明跨真核生物的保守机制。线粒体产生的活性氧通过氧化Pbp1低复杂度结构域中的甲硫氨酸残基诱导相分离，最终导致自噬。

5.6. 动物特异性凝聚体

生殖颗粒是仅存在于动物生殖细胞中的细胞质凝聚体，在线虫中作为P颗粒被深入研究。功能上，它们在生殖细胞发育和维持中起关键作用，通过不对称遗传影响细胞命运决定。此外，生殖颗粒参与RNA代谢调控，包括mRNA储存、翻译和降解，以及指导早期胚胎发生中大多数蛋白质生产的母源mRNA遗传。

Balbiani体是另一个专门存在于动物卵母细胞中的凝聚体，将线粒体、高尔基复合体和RNA颗粒等其他细胞器聚集在卵母细胞核附近。核斑点是主要在动物细胞中研究的富含剪接因子的亚核结构，在真菌中尚未发现，但在植物中观察到类似结构。

5.7. 真核生物中的转录凝聚体

转录凝聚体通过浓缩转录 machinery 有效调控基因表达。这类凝聚体在生物分子凝聚体概念提出前就被观察到，常被称为转录工厂或转录枢纽。DNA在转录凝聚体的完整性和形成中起重要作用，CTCF介导的染色质环化是转录凝聚体组装的结构前提。

超增强子（SEs）是DNA上的一类调控区域，近距离聚集并显示异常高的Mediator结合水平。相分离可能优先发生在哺乳动物SEs处，高浓度的转录因子（TFs）、Mediator复合物和RNA聚合酶II跨越大的基因组区域（>10kb）。RNA（如增强子RNA和源自启动子及编码区的转录本）似乎在转录凝聚体的形成和溶解中起结构作用。

5.8. 病毒凝聚体

病毒凝聚体在宿主感染时形成，文献中有多种名称，如病毒复制区室（VRCs）和viroplasms。病毒工厂在宿主细胞内形成，包含病毒复制 machinery 和组装新病毒颗粒所需组分。先前已知感染宿主细胞中的包含体现也称为病毒工厂，如狂犬病毒形成的Negri小体。

通过相分离形成的病毒工厂已在多种病毒中发现，包括单链负义RNA病毒（如麻疹病毒、水泡性口炎病毒（VSV）和狂犬病毒）、双链RNA病毒（如轮状病毒）和DNA病毒（巨细胞病毒）。病毒凝聚体不仅允许特异性招募和浓缩病毒蛋白，还能逃逸细胞抗病毒反应。

5.9. 无处不在的凝聚体

生物分子凝聚体的普遍存在及其 essential 功能暗示其古老起源。自组装过程（如 oligomerization、aggregation 和 condensation）在蛋白质起源方面得到广泛研究。事实上，这些过程，特别是凝聚体形成，可能在生命起源前时期就发挥了关键作用，甚至在最后 universal 共同祖先出现之前。

对26个物种的预测凝聚体形成蛋白的系统分析发现，40-60%的蛋白质组可能形成凝聚体，与生物复杂性和IDRs比例无明显相关性。真核生物比细菌和古菌含有更多IDRs，无序蛋白区域的普遍性似乎随生物复杂性增加，表明许多IDRs在进化后期出现。

6. 凝聚体与生命起源

6.1. 凝聚体作为 prebiotic 分子的选择器

Prebiotic chemistry 研究生命存在前早期地球发生的化学过程和反应。众多 prebiotic chemistry 实验证明了从简单前体合成相对复杂有机分子的可能性，包括肽、核苷酸、代谢物和糖的形成。尽管取得这些突破，一个主要瓶颈仍然是理解这些 building blocks 如何组织成 self-sustaining 系统。

区室化内的组织——无论是无膜还是具有脂质膜的囊泡——可能是从混乱的 prebiotic chemistry 过渡到 enhanced 生化反应的关键步骤。一个区室可能选择性积累来自 prebiotic 池的分子，这些分子 fulfilled 基本功能，如自发自组装成绝缘区室的能力。随着时间的推移，成功的分子会被转移到新区室。经过数千个周期，这些区室及其整合的 prebiotic 分子可能形成功能单元。

6.2. 凝聚体解决早期生命的稀释挑战

在细胞出现之前，稀释 presents 了一个重大挑战。在 prebiotic 环境中，频繁的分子相互作用对于避免低效反应阻碍生化进展至关重要。区室化被认为是一个 universal 解决方案，将 essential 分子封装在 confined 空间内。现代生物中凝聚体的普遍存在表明其古老起源，在浓缩 essential 生物分子方面发挥关键作用，可能反映了也 facilitated 生命起源的机制。

6.3. Coacervates 桥接 prebiotic chemistry 与细胞生命

Protocells 是简单的自组织结构，被认为代表了生命进化的早期阶段。它们可能选择性封装了 essential prebiotic 分子，创造了 enabling 基本生化反应的微环境。已开发和研究了各种类型的 protocells，其中两大类突出：基于脂质的囊泡和LLPS coacervates。

Coacervates 通过带电大分子的LLPS形成，结构更简单。它们浓缩带电生物分子（如核苷酸）的能力在早期 protocells 中至关重要，但脂质双分子层阻碍了它们的摄取。然而，修饰的核苷酸可以扩散穿过更简单的脂肪酸膜。此外，coacervate 表面促进自发脂质膜形成。它们区室化和浓缩关键分子（如镁离子和核苷酸）的能力表明它们可能在 prebiotic chemistry 中先于脂质囊泡。

Oparin 开创了 coacervate 液滴是地球上最早区室的假设，存在于膜结合细胞出现之前。他提出 coacervates 可以自发形成，提供稳定区室而不依赖膜或外部能源。随后的工作扩展了 Oparin 的想法，表明肽-核苷酸 coacervates 在水中自发形成，有效积累和保存 RNA。

6.4. 凝聚体与RNA世界假说

催化性RNA（ribozymes）的发现及其在保守细胞过程中的作用表明，早期生命可能主要是基于RNA的。RNA世界假说认为，早期生命依赖RNA进行遗传存储和催化。随着时间的推移，肽的出现导致了一个RNP世界，最终产生了现代的RNA/蛋白质/DNA系统，其中DNA存储遗传信息，蛋白质作为催化剂。然而，目前尚不清楚RNA如何在 prebiotic 世界的恶劣环境中履行如此关键的角色， given 其化学不稳定性。

最近研究表明，RNA在高温下经历相分离，为RNA不稳定性挑战提供了解决方案。此外，在现代生物学中，核糖体蛋白（通常无序且高度带正电）通过与RNA形成有序复合物来稳定RNA，表明类似相互作用可能有助于稳定早期生命中的RNA。

以凝聚体作为有前途的 protocell 候选者，许多焦点集中在其中的核酶催化上。最终目标是创建一个微环境，其中RNA聚合酶核酶可以自我复制，为竞争区室的群体水平进化提供基础，作为早期 protocellular 进化的模型。对 aqueous two-phase system 中RNA切割 hammerhead 核酶的研究显示其在一个相中强烈富集，大大提高了反应速率。

6.5. 凝聚体与无序优先假说

随着生命进化，短肽（可能无序或较少结构）可能与RNA一起出现，并可能在稳定RNA分子和增强其功能方面发挥关键作用。最初，这些可能无序的肽完全依赖RNA支架维持其结构完整性。然而，随着复杂性的增加，它们 developed 通过疏水相互作用排水形成独立结构的能力。这种折叠能力来自肽和RNA的共同进化。

因此，在生命黎明时，RNA世界可能被RNA-内在无序肽世界继承，其中RNA和短肽的相互作用 facilitated 第一个结构化和功能性生物分子的出现。内在无序肽优先假说认为第一个蛋白质可能是无序的，这一观点得到 disorder-promoting 残基（Ala, Arg, Gly, Gln, Ser, Glu, Lys, Pro）与 supposed 在生命出现时出现的残基（Ala, Asp, Glu, Gly, Ile, Leu, Pro, Ser, Thr, Val）之间重叠的支持。

7. 展望

我们对跨物种凝聚体的了解仍然稀疏，任何关于其起源的估计都为时过早。虽然大多数已知凝聚体发现在哺乳动物中，这可能反映了对人类细胞的研究偏向以及对更简单和非模式生物的了解缺乏。细菌和古菌细胞的小尺寸对使用衍射极限光学显微镜在亚微米尺度检测凝聚体提出了额外挑战。

即使对于经过充分研究的凝聚体，其 exact 蛋白质组成和RNA含量也 often 不清楚。虽然凝聚体 identity 可能 loosely 由其组成和功能定义，但这些参数以及材料特性（如表面张力、弹性、粘度和溶剂环境）和形态可能因条件和物种而异。甚至单突变，如肌萎缩侧索硬化相关的SOD1变体，也能触发应激颗粒组成和材料特性的变化。

另一个未解决的挑战是辨别 within 和 across 物种定义凝聚体 identity 的一致决定因素。是功能指定了凝聚体家族，其有限组驱动分子的 identity，还是整体蛋白质组成？ distinct 溶剂条件（如pH、离子浓度、极性、跨界面电势梯度）可能是给定凝聚体的进化保守特征。由于凝聚体组分是动态和混杂的，上述决定因素可能 additionally 是条件特异性的。