综述：相分离、亲合力与润湿调控的自噬

《TRENDS IN Biochemical Sciences》：Autophagy regulation by phase separation, avidity, and wetting

本综述由《生物化学趋势》特邀推荐，深入探讨了相分离（phase separation）如何为选择性自噬（selective autophagy）提供空间组织框架。文章创新性地提出，生物分子凝聚体（biomolecular condensates）通过亲合力（avidity）和润湿（wetting）等物理特性，精确调控从货物识别到自噬体（autophagosome）形成的全过程，为理解神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）中蛋白聚集体的清除机制及开发靶向降解疗法（如AUTACs, ATTECs）开辟了新视角。

　　

相分离为自噬提供空间组织框架

在拥挤的细胞质中，选择性自噬面临着一个根本性的空间组织挑战：特定的货物（如受损的细胞器、蛋白聚集体）必须被精确识别，并在其表面从头组装一套复杂的 machinery 以启动自噬体的形成。传统的自噬模型虽然详细描绘了信号通路和蛋白质层级结构，但难以解释这一过程如何在三维空间中实现精确的时空协调。近年来，相分离的概念为解决这一难题提供了关键线索。相分离是指蛋白质、RNA等大分子通过多价、弱相互作用发生液-液相分离，形成动态的生物分子凝聚体。这些凝聚体具有独特的物理化学性质，能够将分散的自噬组分浓缩并组织起来，从而将自噬转化为一个高度协调、自我组织的过程。

自噬货物主要分为两大类：膜包被货物（如线粒体、过氧化物酶体）和无膜货物。无膜货物可以呈现不同的粘弹性状态，从液体样凝聚体到更稳定的凝胶样甚至固体样形式，其流动性直接影响其自噬周转效率。

相分离促进货物凝聚与识别

相分离通过其内在的物理化学特性，在自噬的多个步骤中发挥核心组织作用。首先，它促进了多种货物（如蛋白 assemblies 和 RNA 丰富的颗粒）凝聚成 distinct 的液滴，从而被自噬 machinery 高效靶向清除。例如，酵母中的 Ape1 复合物和网格蛋白介导的内吞 machinery 蛋白会形成凝聚体，并通过自噬途径被递送至液泡。货物通过相分离凝聚，使得细胞能够从拥挤的细胞质中区分出真正的降解目标。货物的材料状态至关重要，凝胶样的液滴通常能被扩展的吞噬泡（phagophore）膜更有效地包裹，而向固态的异常转变则会阻碍清除，并可能导致疾病病理。

自噬受体（如 p62/SQSTM1, optineurin, NDP52/CALCOCO2）通过其多价性（multivalency）在货物凝聚和识别中扮演主动角色。它们能够与货物分子发生多价结合并自我关联，从而在货物表面 scaffold 并聚集。受体如 p62 还可以 partitioning 进入蛋白聚集体，调节其物理性质，并将其与自噬 machinery 连接起来。一旦与货物凝聚，受体便招募 scaffold 蛋白（如 Atg11 或 FIP200/RB1CC1）形成具有粘弹性的起始中心（initiation hubs），从而将货物提交给自噬降解。

自噬起始 machinery 的相分离与 PAS 形成

自噬起始 machinery 本身也遵循并经历相分离。在酵母中，无论是非选择性自噬（bulk autophagy）还是选择性自噬，关键蛋白复合物的多价相互作用都驱动了相分离。例如，在非选择性自噬中，多价的 Atg13-Atg17 相互作用驱动 Atg1 激酶复合物发生相分离，从而在液泡上形成吞噬泡组装位点（phagophore assembly site, PAS）。在选择性自噬中，scaffold 蛋白 Atg11 同样发生相分离并驱动 PAS 组装。由此形成的 PAS 凝聚体高度动态，能够局部浓缩组分并与细胞质快速交换，从而高效招募下游 Atg 蛋白，在货物表面启动自噬体形成。哺乳动物细胞中的机制与单细胞真核生物相似，表明这是一个进化上保守的通路。FIP200（Atg11/17 的功能同源物）通过相分离形成 puncta，并在特定的内质网（ER）亚结构域招募 ULK1。

亲合力：稳定自噬 machinery 的多价“分子魔术贴”

相分离的一个关键结果是蛋白质在凝聚体表面或界面处被高度局部富集，使得多个结合位点相互靠近。这将单个的弱接触转化为集体的“分子魔术贴”，即亲合力（avidity）的体现。亲合力是指由多个相互作用位点同时结合所产生的累积结合强度，它能显著降低解离速率。在自噬中，亲合力在不同步骤中发挥关键作用。例如，酵母液泡蛋白 Vac8 作为一个亲合力驱动的枢纽，通过同时结合 PAS 凝聚体中的 Atg13、货物上的 Atg11 以及磷酸肌醇 3-激酶复合物等多个伙伴，来定义自噬体在液泡上的形成位点。同样，选择性自噬受体通过寡聚化呈现多个 LC3 相互作用区域（LIRs），从而通过与 ATG8 家族蛋白的高亲合力结合，实现货物与吞噬泡的强效、稳定连接。

润湿：调控凝聚体与膜的相互作用

当粘性凝聚体形成后，它们与膜或其他细胞结构接触时会表现出特定的物理行为，这可以用润湿（wetting）的概念来理解。润湿描述了凝聚体在膜表面的铺展行为，其程度通常由接触角（润湿角）来量化。接触角的大小取决于凝聚体的表面张力、非特异性相互作用（如静电作用）以及膜表面的特异性分子相互作用。在自噬中，货物（如 p62 小体）形成的凝聚体与生长的吞噬泡膜建立直接界面。货物-吞噬泡界面类似于液滴停留在表面上：更强的界面相互作用促进更大的润湿和液滴铺展，而较弱的相互作用则导致较高的接触角和润湿减少。这种界面相互作用的不对称性会导致膜片（sheet）不对称，进而影响吞噬泡膜的弯曲，甚至可能触发部分自噬（piecemeal autophagy），即只包裹货物的部分内容。润湿现象也发生在自噬的其他界面，例如，optineurin 凝聚体可以润湿并捕获 ATG9 vesicles，导致其被完全内化。ATG8 家族蛋白位于生长的吞噬泡、货物和 PAS 的界面，通过与自噬受体和 Atg1/ULK1 复合物的相互作用，在调控润湿过程中扮演关键角色。

治疗机遇：靶向自噬的物理特性

尽管相分离和亲合力能够高效组织细胞组分，但这一系统依赖于精确调控的分子间相互作用，因此容易发生故障。在亨廷顿病、肌萎缩侧索硬化、阿尔茨海默病等神经退行性疾病中，许多易聚集的蛋白（如 huntingtin, Tau, TDP-43, α-synuclein）会发生病理性相变，从相对流体状态转变为更固态的终末状态（如淀粉样纤维），从而阻碍自噬清除。这些病理性相变还可能不适当地 trap 自噬受体（如 p62），使其处于非生产性状态，无法招募下游的自噬起始复合物。理解并最终纠正这些物理故障构成了下一代自噬疗法的基础。

新兴的治疗策略旨在通过操纵货物识别和招募来弥补这一空白。例如，自噬靶向嵌合体（AUTACs）模拟内源性 S-鸟苷酰化，诱导靶向货物的 K63 连接泛素化及其降解。自噬靶向化合物（AUTOTACs）则通过招募受体蛋白 p62 至靶蛋白并诱导其寡聚化来发挥作用。自噬栓系化合物（ATTECs）是双功能分子，能同时结合 LC3 和靶蛋白，直接将货物招募到自噬膜上。与依赖高亲和力结合的传统策略不同，一种新提出的策略是利用低亲和力、多价相互作用来促进自噬 machinery 蛋白在货物表面的有效扩散，诱导受体在靶标表面发生类似相分离的聚集，从而在原本抵抗自噬结合的货物上组装起功能性的 PAS，这类似于一种“分子胶”（molecular glue）机制。更具推测性的途径是利用小分子基于理化相容性（如电荷、pH）选择性 partitioning 进入凝聚体，从而携带降解标记物（如 p62 或泛素）进入凝聚体。然而，靶向高度刚性或固体样的聚集体仍然充满挑战。

总结与展望

将相分离视为一个基本的组织原则，重新定义了我们对自噬的理解：它不再是一个线性的分子事件序列，而是一个受生物分子凝聚体物理特性调控的时空过程。从选择性货物识别到自噬体形成，相分离通过多价相互作用、亲合力驱动的蛋白聚集以及通过润湿进行的膜重塑，引入了一层精密的控制。这些材料特性主动塑造了自噬的进程和特异性。因此，阐明凝聚体生物物理学、蛋白多价性和膜动力学的作用，对于解码自噬的分子逻辑至关重要。这一视角的转变为治疗干预开辟了新途径，使得靶向凝聚体行为和生物物理状态而非孤立分子组分的策略成为可能。同时，经典机制（如高等真核生物中的泛素信号）仍然与凝聚体驱动的组织并行不悖，共同构成完整的自噬通路。推动该领域发展需要持续整合细胞、分子、结构、化学生物学与物理学和数学，将基础见解转化为临床相关成果。