大多數(shù)的生物學教科書中都提到，膜結構是細胞中最重要的組織構成形式。磷脂雙層膜包裹著線粒體、內質網(wǎng)、溶酶體等多種細胞器，以分隔細胞器內外的不同蛋白質。其余的細胞組成部分則懸浮于細胞基質中。細胞基質中的蛋白質偶爾會遇到其他的可結合分子，如底物和小分子藥物。

但是現(xiàn)在，這一情況正在逐漸變化。隨著科學研究的不斷深入，生物分子凝聚物，由蛋白質和RNA組成的暫時性流體液滴，被發(fā)掘了出來。人們將這些生物分子凝聚物稱為無膜細胞器。關于這些無膜細胞器結構和生物物理學特性的研究在過去的10年里突飛猛進。科學家和藥物研發(fā)者們也越來越重視這一獨特的生物學結構。

我們將近期發(fā)表于《Nature Reviews Drug Discovery》上有關無膜細胞器的一篇文章編譯和整理成了上下兩篇。本文是上篇，主要介紹了無膜細胞器研究的歷史及其與疾病之間的關系。隨后發(fā)表的下篇則將分析無膜細胞器研究對醫(yī)藥行業(yè)發(fā)展的影響，以及大藥企和初創(chuàng)企業(yè)在這一領域的布局。

初步證據(jù)表明，這些通過被稱為液－液相分離的過程形成的無膜細胞器，與健康和疾病關系密切。在某些情況下，它們似乎起著坩堝一樣的作用，加速其組分之間的反應，并且防止自己的組分與自身結構以外的分子接觸。影響無膜細胞器形成和分解的基因突變，似乎也與神經(jīng)退行性疾病、癌癥等疾病息息相關。

在細胞中默默無聞了上百年的無膜細胞器

距離無膜細胞器首次被報道已經(jīng)經(jīng)過了一個多世紀。早在1899年，細胞生物學先驅Edmund Beecher Wilson就在《Science》雜志的一篇綜述中描述了無膜細胞器的廣泛存在，并且這些結構在數(shù)十年中都存在于細胞結構圖之中。但是，由于人們對這些結構在細胞中的作用及其組分的生物物理學特性知之甚少，極少有研究人員關注這個領域。

大約十年前，這種情況開始發(fā)生變化。

圖1：從細胞核（N）中滴出的P質粒（紅線圈出部分）

圖片來源：Clifford P．Brangwynne，Christian R．Eckmann，et al．Germline P Granules Are Liquid Droplets That Localize by Controlled Dissolution／Condensation．Science．324，1729（2009）．

2009年，當時在馬克斯普朗克研究所從事博士后研究的Cliff Brangwynne和他的主管Tony Hyman在通過顯微鏡觀察秀麗隱桿線蟲的胚胎。他們最初的目的是想了解P顆粒（線蟲的生殖質，由RNA和RNA結合蛋白構成）的起源，但在觀察過程中他們發(fā)現(xiàn)，P顆粒的表現(xiàn)像是油醋汁中的油滴，從細胞核中滴落，相互融合，并迅速在基質中發(fā)生凝聚和分解（圖1）。他們在2009年的《Science》雜志上報道了這項工作。這一論文也由于首次將“相分離”的概念應用于描述特定無膜細胞器上而成為了里程碑式的論著。

圖2：顯微注射針頭推動下觀察到的核仁融合

圖3：綠色熒光蛋白標記下觀察到的核仁融合

圖片來源：Clifford P．Brangwynne，Timothy J．Mitchison，et al．Active liquid－like behavior of nuleoli determines their size and shap in Xenopus laevis oocytes．Proc．Natl．Acad．Sci．108，4334（2011）

兩年后，Brangwynne及其同事在《美國國家科學院院刊》上進一步報道，核仁（一種在細胞核中形成，在核糖體組裝中扮演著重要角色的結構）具有類似的流體特性并依賴于相變作用。他們在非洲爪蟾的胚泡細胞中，用顯微注射的針頭將核仁推到一起。在短暫的延遲之后，兩個核仁開始發(fā)生緩慢的融合，并最終形成一個更大的球體（圖2）。隨后他們又將GFP（綠色熒光蛋白）標記的NO145（核仁外圍絲狀網(wǎng)絡的重要組成蛋白）轉入胚泡細胞中。在綠色熒光蛋白標記下，可以通過核仁的外圍明顯的綠色熒光信號，觀察到自然情況下發(fā)生的核仁融合（圖3）。

不久之后，研究人員在各種無膜細胞器中都發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，包括卡哈爾體，核散斑體，應激顆粒，RNA轉運顆粒等。

圖4：真核細胞中的無膜細胞器

圖片來源：Salman F．Banani，Hyun O．Lee，et al．Biomolecular condensates：organizers of cellular biochemistry．Nat Rev Mol Cell Biol．18，285（2017）

與此同時，研究人員也在試圖破譯這些結構快速形成和分解的生物物理學基礎，并已經(jīng)取得了部分進展。例如，2012年，UT西南醫(yī)學中心的生物物理學家Michael Rosen及其同事在《Nature》雜志上描述了多價大分子能夠實現(xiàn)迅速的液－液相分離以及微米級流體液滴的快速凝聚。隨后的工作表明，有類似作用的多價大分子主要是具有內在無序區(qū)域（IDRs，一種無法折疊形成穩(wěn)定三維結構的蛋白質結構域）的蛋白和RNA分子等。

大量證據(jù)證明無膜細胞器與疾病之間存在關聯(lián)

這一現(xiàn)象與疾病之間的聯(lián)系隨后被逐步發(fā)掘。St． Jude兒童研究醫(yī)院，長期致力于研究神經(jīng)退行性疾病的神經(jīng)學家Paul Taylor于2013年在《Nature》上報道，在hRNPA2B1和hnRNPA1的IDRs保守區(qū)域中發(fā)生的突變與肌萎縮側索硬化癥（ALS）有關。到2015年，有關IDRs的研究迅速升溫。那一年，五篇論文互相獨立的證明了IDRs對生物分子凝聚物的相變至關重要。

圖5：FUS蛋白在DNA損傷和應急狀態(tài)下的細胞質中形成生物分子凝聚物

圖6：FUS蛋白的突變型發(fā)生異常聚合

圖片來源：Avinash Patel，Hyun O．Lee，et al．A Liquid－to－Solid Phase Transition of the ALS Protein FUS Accelerated by Disease Mutation．Cell．162，1066－1077（2015）．