生物分子凝聚体研究在巴西的推进：一项集体努力

《Biophysical Reviews》：Advancing biomolecular condensates research in Brazil: a collective effort

　　

摘要 蛋白质通过相分离形成生物分子凝聚体支架的能力，已成为细胞生物学中一种重要的物理化学机制，参与众多生物学功能。凝聚体含有高度浓缩的生物分子，作为核酸储存与加工的中枢，同时实现精细的时空细胞组织调控。越来越多的证据表明，凝聚体从动态液态向凝胶态及固态结构的转变是多种退行性疾病发病机制的基础。因此，调控相行为已成为干预目前不可治愈的蛋白质病的一种潜在可靶向机制。在过去四十年间，多个目前致力于生物分子凝聚体研究的巴西课题组已在固有无序蛋白质生物物理学、蛋白质错误折叠、核酸相互作用及结构生物学等领域奠定了坚实基础。约自2017年起，在巴西生物物理学会（SBBf）发挥关键作用的思想交流推动下，本领域进入新阶段。本文综述了巴西聚焦于生物分子凝聚的研究，讨论其主要发现、实验方法、未解问题及该领域的跨学科机遇。本综述亦庆祝SBBf成立90周年，该学会极大地促进了从事相分离研究的巴西及拉丁美洲科学家的学术成长。我们期待本文所呈现的巴西研究能够激励下一代科学家，推动前沿研究，助力在巴西建设并壮大更广泛的生物分子凝聚体研究共同体。

主体内容总结

引言

生物分子凝聚体为细胞如何在没有膜的情况下组织化学反应提供了一个统一框架。它们源于蛋白质、RNA及辅因子等生物分子之间的集体多价相互作用，形成从约20纳米到数微米的细胞组装体，且能快速形成和解离。凝聚体形成蛋白形成浓相，其浓度比稀相高300至1000倍，从而产生复杂的生物物理和生物化学特性。这种高度拥挤的局部微环境使特定组分的选择性浓缩及反应的驱动或抑制成为可能，从而调节酶促和非酶促反应速率。因此，凝聚体参与信号转导、基因调控、应激反应、分泌及许多其他生物活动。过去十年中，该领域已超越对"液滴"的描述，转向更广泛的问题：分子相互作用如何产生特定物质状态，以及这些状态如何影响或损害生物学功能。

生物分子凝聚体指通过集体相互作用形成的、富集特定生物分子的介观组装体，表现出与相变或相关凝聚过程一致的行为。该术语包括通常与液-液相分离（LLPS）相关的液态组装体，以及粘弹性凝胶、玻璃态和固态结构。这种包容性定义至关重要，因为许多细胞组装体并不形成或维持理想的液态特性，而是占据一个物理状态连续体，其物质特性随时间变化。

生物分子凝聚体在三个主要方面具有内在研究挑战性。第一，凝聚体是多尺度的：在分子水平上，序列组成、电荷模式、芳香族含量和相互作用基序决定价态和特异性；在介观尺度上，多组分混合物表现出涌现行为、选择性分配、组成异质性和非平凡相图；在细胞尺度上，凝聚体与运输、局部合成和降解以及维持其非平衡态的活动过程相耦合。第二，凝聚体在组成上是上下文依赖的：体外相行为对盐、pH、多价离子、温度、大分子拥挤及核酸的存在/性质敏感；细胞环境则更为复杂，局部浓度和拥挤受到调控，组分持续被修饰，表面和结构塑造组装途径。生物膜是典型例子，膜上的凝聚可涉及二维限制、带电脂质的静电招募、曲率或张力效应以及表面辅助成核。RNA可根据长度、结构和结合景观充当支架、缓冲剂或开关。金属离子和小分子可通过电荷中和、配位化学或关键基序竞争来促进或抑制凝聚。第三，该领域在测量和标准建立方面仍面临挑战。许多常用的"凝聚体样标志"，如圆形形态、融合或荧光漂白后恢复（FRAP），具有信息性但并非决定性。巴西研究共同体日益趋向于多标准证据：浓度依赖性、价态或相互作用基序的扰动、对环境变量的敏感性、内部动力学的正交读数，以及在可能时对相边界的定量映射。

巴西对生物分子凝聚体研究的贡献

脑表达X连锁蛋白3形成的生物分子凝聚体

Mariana do Amaral的硕士论文研究提供了巴西最早报道的实验性生物分子凝聚贡献，聚焦于人脑表达X连锁3（hBEX3），一种参与NGF相关信号传导的神经元蛋白。BEX家族由五个成员组成，BEX3作为神经生长因子（NGF）通路的下游效应器而突出。这些蛋白被预测具有高度固有无序性。对hBEX3的早期生化表征揭示了核酸结合、构象组织和高阶组装之间的意外耦合。一种涉及细菌裂解液加热的非同寻常的纯化策略产生了两种分子种类：一种紧凑的、结合核酸的形式和一种无核酸的高阶寡聚体。结合的核酸被鉴定为转移RNA（tRNA）片段，显著影响hBEX3折叠并促进无序-有序转变。此外，hBEX3溶液逐渐分离成两相并形成温度可逆的水凝胶。体外重组hBEX3显示同型相分离，可被10% 1,6-己二醇溶解，而tRNA片段调节hBEX3相分离并与减少的淀粉样蛋白形成相关。尽管缺乏BEX3凝聚的细胞证据，该研究建立了BEX3作为研究固有无序、寡聚化和天然tRNA片段如何调节凝聚体形成的模型。值得注意的是，重组mBEX3在长期储存后被观察到逐渐转变为高粘性凝胶样组装体，提示其内在的自缔合和超分子组织倾向。

朊病毒蛋白相分离受生理配体调节：来自里约热内卢联邦大学的见解

PrP与核酸

朊病毒疾病的标志是细胞朊病毒蛋白（PrP^C）——一种富含α-螺旋的可溶性单体——构象转变为错误折叠形式——羊瘙痒病PrP（PrP^Sc）——其富含β-折叠且高度易于聚集。核酸作为候选辅因子受到特别关注。Cordeiro课题组的工作表明，核酸与全长重组PrP（rPrP^23?231）相互作用并在体外调节其聚集行为。DNA和RNA均可触发PrP的构象变化，取决于蛋白质:核酸化学计量比和核酸配体的结构，导致从可溶性复合物到聚集或固态组装体的多种组装形式。从神经母细胞瘤细胞提取的总RNA诱导重组PrP的构象重排，并促进其从可溶性物种向相分离和聚集组装体转变。从含PrP的不溶性组装体中回收的RNA分子揭示了富集低复杂度序列基序的异质性转录本群体，这些基序常见于核糖体RNA中。DNA适体以构象和化学计量依赖的方式调节PrP相分离：发夹适体促进液滴形成，而无结构单链适体则触发rPrP^90?231向淀粉样状态的转变。

二价金属离子触发PrP凝聚体形成

铜离子以高亲和力与重组和细胞PrP结合，PrP通过其N端结构域结合Cu(II)，该结构域是固有无序的，包含四个八肽序列PHGGGWGQ重复。do Amaral等人提供了证据表明PrP^C凝聚体有效隔离铜离子，最可能在细胞膜界面。在HEK293细胞中，Cu²⁺促进PrP^C在细胞-细胞连接处富集。Cu²⁺阻止重组全长PrP的错误折叠和淀粉样聚集，但Cu²⁺/H₂O₂诱导的氧化通过液-固转变促进PrP凝聚体成熟。鉴定了一种机制，其中Cu²⁺驱动的PrP凝聚缓冲过量氧化还原活性铜离子，揭示氧化如何通过异常相分离触发PrP聚集。后续工作表明Zn²⁺也以递增的生理浓度促进rPrP^23?231相分离，但最大相分离倾向所需锌离子约为铜离子的六倍。FRAP显示PrP:Cu²⁺凝聚体比PrP:Zn²⁺凝聚体更致密，支持不同金属离子产生不同分子间网络的观点。Cu²⁺驱动的PrP凝聚体抑制种子转化，而Zn²⁺驱动的凝聚体仅延迟错误折叠而不完全阻止ThT阳性聚集体的形成。

高尔基体生物学和生物技术中的生物分子凝聚体：来自圣保罗大学的贡献

高尔基体动力学和非常规蛋白分泌中的相分离

圣保罗大学课题组探讨了高尔基体基质蛋白是否具有与生物分子凝聚相容的内在特征。对超过28,000个蛋白质序列的大规模生物信息学分析表明，真核生物树中的高尔基体基质蛋白表现出保守的相分离倾向，这与广泛的固有无序区域和多价相互作用表面相关。人GRASP55被证明形成具有液态特性的凝聚体，包括融合和内部分子交换。GRASP55凝聚强烈依赖pH，在pH约6.0–6.3时最大。由于GRASP55锚定于高尔基体池的胞质面，这种行为不应被解释为对酸性高尔基体腔的直接感知，而是揭示了GRASP55凝聚对质子化状态的内在敏感性。局部质子活性在膜界面处可能不同于体细胞质，特别是在带负电的脂质表面，提示膜相关环境可能参与这种调节。