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本文聚焦细胞骨架与凝聚体相互作用，探讨其背后的物理和生物学原理。研究发现二者相互影响，在细胞分裂、膜组织等过程发挥关键作用，为理解细胞自组织机制提供新视角，对生命科学研究意义重大。
引言
细胞拥有多种内部组织方式，其中细胞骨架和大分子凝聚体的相转变是两种重要且普遍的机制。细胞骨架由微管、肌动蛋白和中间丝构成，不仅提供结构支撑，还具备动态特性，使细胞能够改变形状、移动和繁殖 。而凝聚体则是生物大分子通过相分离形成的具有液体样物质属性的区域，可作为无膜细胞器，在细胞内动态变化 。这两种组织框架并非孤立，而是协同工作，共同调控细胞内部组织。本文将阐述从它们相互作用的研究中所获得的物理和生物学知识。
学习物理学
凝聚体组织细胞骨架
众多研究表明，微管相关蛋白（MAPs）或肌动蛋白结合蛋白（ABPs）能形成凝聚体，进而影响细胞骨架的组装。这些蛋白在体外，无论是在无额外拥挤剂的情况下，还是在诸如聚乙二醇（PEG）等拥挤剂存在时，都可形成液滴 。需要注意的是，高浓度（5 - 10% w:v）的聚合物拥挤剂可能因耗尽效应和疏水 / 亲水作用导致多种物质相分离 。
凝聚体可作为细胞骨架组织分层自组装的模板，因其对微管蛋白或球状肌动蛋白（g - actin）具有结合亲和力，能使细胞骨架丝亚基在局部高度聚集，增强成核和生长，从而诱导细胞骨架丝的形成和组织 。所形成的细胞骨架组织形式多样，常见的有丝状束和星状体等，其具体形式取决于凝聚体蛋白与细胞骨架亚基、凝聚体 - 丝以及凝聚体分子间的多种相互作用，同时也受分子浓度和间距等因素影响 。
例如，MAP65/PRC1 的凝聚体可模板化形成有限的、锥形的微管束或星状排列的微管束，凝聚体液滴大小会影响最终的组织形式 。而染色体乘客复合物（CPC）在拥挤剂存在时形成的凝聚体，可引入可溶性微管蛋白，促使微管束成核和生长，形成平行微管束，这在体外系统中首次实现了对微管极性的模板化控制 。此外，研究人员设计的具有特定功能的蛋白质，可通过改变序列定量控制凝聚程度和与丝的结合，剖析凝聚体对微管组织模板化的物理分子机制 。VASP 蛋白与 PEG 分子凝聚形成的液滴可使肌动蛋白在其中定位、成核和组织，肌动蛋白在液滴内弯曲形成独特形状，且当添加肌动蛋白分支促进剂 Arp2/3 时，液滴形状会发生改变 。
细胞骨架组织凝聚体
细胞骨架丝能够诱导凝聚体液滴的成核。一些与细胞骨架相关的蛋白，如 BuGZ、TPX2、微管正端追踪蛋白 EB1 和 EB3 等，可在细胞骨架丝上结合并形成类似液体的液滴 。若这些蛋白还有其他结合伙伴，整个复合物会沿着丝进入液滴，凝聚体还可作为新丝形成的枢纽，促使细胞骨架结构分支网络的产生 。
细胞骨架还可通过空间位阻影响液滴形成。在合成系统中，丝状物理屏障会分割空间，阻止大液滴形成，如油滴在合成聚合物网络中的大小与网络孔径相关 。此外，由驱动蛋白驱动的细胞骨架网络具有活性，可撕裂 DNA 纳米星液滴 。在合成细胞系统中，光触发合成凝聚体可在特定 DNA 位点产生力，利用大肠杆菌中的 MinDE 蛋白复合物振荡能力可对人体细胞中蛋白质和蛋白质凝聚体进行编程 。同时，细胞骨架 - 凝聚体相互作用还被用于创建合成封装方法，如将肌动蛋白困在 VASP 蛋白液滴中，交联后可形成多孔笼用于封装其他分子；凝聚体还可聚集多种物质形成无膜 “原细胞”，具备类似细胞的机械性能并能进行化学反应 。
学习生物学
真核细胞分裂
有丝分裂或减数分裂纺锤体是活细胞中复杂且动态的微管结构，具有液体样特性，如两个纺锤体可融合，光漂白后能动态恢复 。其液体样性质源于微管动态不稳定性和驱动蛋白的活动，当这些缺失时，相关蛋白虽能形成正确形状，但不再具有液体样特性 。从广义的凝聚体定义来看，有丝分裂纺锤体可被视为由活性、非平衡过程驱动的凝聚体，为研究凝聚体和细胞骨架的生物学和物理学提供了独特模型 。
许多与有丝分裂 / 减数分裂相关的蛋白形成凝聚体，对纺锤体的正确形成至关重要。在纺锤体两极，Aurora 激酶 A（Aurora - A）在拥挤剂存在下可形成液滴，且在 BuGZ 的增强作用下，影响中心体成熟和间距 。在动粒处，EB1 形成的凝聚体可使微管正端蛋白共定位，对控制动粒微管至关重要，其蛋白复合物的破坏会导致染色体分离和排列异常 。在两极和动粒之间，TPX2 在已有微管上形成液滴，促进微管网络分支，赋予纺锤体形状和流动性；PRC1/Ase1/MAP65 等蛋白形成的液滴有助于建立纺锤体的微管阵列 。
原核细胞分裂
细菌细胞分裂依赖于相关蛋白质的凝聚。在细菌中，细胞分裂的第一步是 Z 环形成和细菌细胞骨架丝 FtsZ 的定位，这一过程受 MinC/D/E 振荡生化网络和染色体核区排斥机制调控 。核区排斥机制由 SLmsA 介导，FtsZ - SlmA 在 DNA 中 SlmA 结合序列（SBSs）存在时可形成凝聚体 。ZapA 虽自身不发生相分离，但可分配到 FtsZ - SlmA - SBS 凝聚体中，促进 FtsZ 束的成核和生长 。此外，谷氨酸或脂质双分子层可增加 FtsZ - SlmA 凝聚体的成核和生长，形成 FtsZ 网状网络 。PomX/Y/Z 蛋白和 Noc 蛋白也参与细胞分裂过程，它们可形成凝聚体，与 FtsZ 蛋白共定位或与膜相互作用，调控 Z 环形成和细胞分裂 。
膜和皮层
凝聚体可在膜内或膜附近发挥作用，与细胞骨架相互关联。在许多生物学过程中，如细胞迁移、丝状伪足形成和细胞分裂末期的皮层收缩，肌动蛋白的成核和生长与膜形态密切相关 。在秀丽隐杆线虫发育早期，动态凝聚体参与在细胞皮层形成初始肌动蛋白网络 。成熟细胞中，abLIM1 蛋白凝聚可形成肌动蛋白星状体，稳定质膜 - 皮层相互作用 。在细胞迁移和树突中突触定位过程中，细胞膜上的突触后密度凝聚体与肌动蛋白的成核、生长和组织有关 。此外，mRNA 可通过驱动蛋白 - 3 家族成员 KIF1C 与凝聚体的相互作用被运输到细胞皮层，这对神经元等长细胞中的 mRNA 运输很重要 。
在植物细胞中，微管及其组织对控制细胞外纤维素的图案化至关重要。植物中独特的微管相关蛋白 MIDD1 形成的凝聚体可导致微管解聚，在细胞皮层形成图案，使微管在液滴间生长和束集 。植物细胞对细菌病原体的先天免疫反应也涉及凝聚体和肌动蛋白的相互作用，脂质纳米域可使 AtREM1 ABPs 凝聚，招募 formin 促进肌动蛋白束的成核和生长 。
自噬
蛋白质凝聚是自噬体形成的初始阶段。自噬体是用于将货物包装并运输到溶酶体（植物和酵母中为液泡）进行降解的膜结合囊泡，对维持细胞内稳态至关重要，其稳态破坏会引发多种疾病 。自噬体形成的早期，需要 p62 体的相分离，Arp2/3 协助形成分支肌动蛋白网络，p62/SQSTM1 和多聚泛素化货物在其中聚集，细胞内肌球蛋白马达 myosin - 1d 驱动 p - 体沿肌动蛋白丝聚集，这些初始凝聚体最终被包裹形成自噬体 。
中间丝
除微管和丝状肌动蛋白外，中间丝也开始受到关注。波形蛋白是研究较多的一种中间丝，在细胞应激反应中发挥作用 。化学物质如过氧化氢和二酰胺引起的氧化应激可使波形蛋白丝解离成圆形、可移动的凝聚体，且去除氧化剂后凝聚过程可逆 。这表明中间丝可形成凝聚体，其丝状和液滴状态的转变可能在波形蛋白网络的保护和重组中起作用 。
结论
生物分子凝聚和细胞骨架自组织相互交织。凝聚体可使细胞骨架丝共定位，促进新的细胞骨架组织形成；细胞骨架则可作为空间位阻改变凝聚体液滴的大小、位置和数量 。这些物理机制在细胞内部生物学过程中，尤其是在真核和原核细胞分裂、细胞皮层相关过程以及自噬过程中发挥重要作用 。未来，预计会发现凝聚体和细胞骨架之间更多的联系，以及依赖于它们正确相互作用的新生物学过程 。
