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技术文章
靶向相分离——小分子药物研发新视角
点击次数：725 发布时间：2021/6/23 16:49:58
细胞是生物体结构和功能的基本单位，是一个“人口”密集的小型社会，里面的组分和分子各司其职，而这种井然有序离不开一个热门词汇——相分离。相分离是什么呢？相分离有什么作用呢？相分离的研究又有什么意义呢？快跟萌 Cece 一起来学习一下吧~
看到 Molecular Biology of the Cell 上的这张图 (图 1) 时萌 Cece 十分吃惊——在细胞里，100 nm 尺度 (相当于头发丝直径的 1/500！) 竞能容纳下如此多的分子，其拥挤程度不亚于十一黄金周的外滩。更让人惊叹的是，在如此拥挤的环境里，这些生物大分子仍能快速地行使各自的职能。
细胞内的各种组分如何在正确的时间、地点上聚集并执行其相应的功能，是生命科学领域内的一大问题。近些年来，细胞内一些没有细胞膜结构包被的“细胞器” (Membrane-less organelles/condensates)——又称生物分子凝聚体 (Biomolecular condensates) 逐渐引起了人们的注意。
与此同时，液-液相分离 (Liquid-liquid phase separation, LLPS) 的概念火了起来：近几年的研究表明，相分离是细胞形成无膜细胞器的物理化学基础。通过相分离，细胞内分子可以实现特异性的聚集，从而在看似“拥挤而混乱”的细胞内部形成一定的秩序。
这么火的相分离能干些什么？
相分离 (或相变) 是细胞内类似于油水分离的现象，细胞中某些可以发生相互作用的分子 (油水混合物中的油)，可以聚集形成液滴，从“水相”中分离出来。这看似简单的“分离”，却可以帮助细胞实现“不简单”的生物学功能：可以提高蛋白局部浓度，从而激活细胞信号转导；可以隔离蛋白与其底物，从而抑制细胞内的某些生化反应；还可以感受、并快速响应环境的变化，如温度、pH、细胞外源 DNA；细胞还能以相分离的形式将高浓度的蛋白存储起来，在需要的时候再次释放……
图 2. 相分离具有多样的生物学功能[2]
我的课题能蹭个相分离的热点吗？ 越来越多的科学家发现他们“*喜爱的分子”会发生相分离——这正是相分离研究火爆的重要原因。那么，什么样的分子容易发生相分离呢？
相分离的关键在于分子间多价的弱相互作用，没有相互作用的分子之间不会发生聚集，而强相互作用的分子更容易形成“固态聚集”。已知有两种蛋白结构类型更容易发生相分离：一类是具有重复结构域的蛋白，如 Grb2 的 SH3 结构域可以与 Sos1 上 PRM 结构域发生弱相互作用，两者可以发生相分离；另一类是具有内部无序区 (Intrinsic disordered region, IDR) 的蛋白，而 IDR 是非常常见的。
图 3. 两种蛋白结构域易发生相分离：重复结构域、内部无序区[3]
体外重构相分离2012 年，Michael Rosen 和 Steven McKnight 发现纯化的蛋白及核酸等能在特定的条件下发生相分离，证实了相分离能够通过简单的生化实验在体外重复。体外相分离实验的优势是可以严格控制各个组分的浓度及反应调节 (如温度、pH)，更加便于研究相分离现象。体外相分离实验中会经常用到一些大分子拥挤试剂 (Macromolecular crowding agents)，如 PEG (PEG300、PEG400)、Dextran。目前，拥挤试剂促进相分离发生的具体的机制仍不明确，一个可能的原因是拥挤试剂模拟了细胞内的高分子浓度的环境。
相分离与细胞信号通路 cGAS 是一种核苷酸转移酶，药物小分子可特异性结合其酶活口袋，因此具有较高成药性，是治疗多种疾病的有潜力靶点。cGAS 识别并结合细胞质中异常存在的 DNA (包括来自病原体的外源 DNA 和细胞自身损伤或病变而泄露的内源 DNA) 后被激活，催化产生第二信使分子 2＇3＇-cGAMP，开启下游 STING 介导的免疫应答信号通路。(详细见往期：热门靶点 STING丨靶向 cGAS-STING 通路或可治疗渐冻症？)
图 4. cGAS-DNA 相互作用推动相分离[4]
mTORC1 在调节控制细胞内环境分子拥挤和相变中具有重要作用。mTORC1 可通过调节核糖体浓度来控制大分子拥挤 (Macromolecular crowding)，从而调控相分离。
另外，靶向相分离也成了具有潜力的药物研发方向。一方面，筛选与无膜细胞器内蛋白发生相互作用的小分子化合物，它们可能会促进或抑制相分离；另一方面，靶向相分离调控的上游，有研究显示 ATP 酶、解旋酶、泛素酶以及能够调节蛋白转录后修饰的酶均具有调控相分离的潜力，因而这些酶的抑制剂/激动剂——尤其是蛋白转录后修饰酶的抑制剂，是极具成药潜力的相分离调控小分子。
相分离相关研究如火如荼，逐渐从神经退行性疾病扩展到癌症、免疫等领域。然而，仍有许多亟待解决的问题：针对癌症等疾病我们是该促进相分离还是打破相分离？特定小分子药物是否能进出无膜细胞器？特定小分子药物是否能准确特异地调控相分离的发生……可以说，相分离相关研究，是机遇，也是挑战。
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参考文献
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1. Bruce Alberts, et al. Molecular Biology of the Cell. New York: Garland Pub., 1989.
2. Simon Alberti, et al. Considerations ａnd Challenges in Studying Liquid-Liquid Phase Separation ａnd Biomolecular Condensates. Cell. 2019 Jan 24; 176(3): 419-434.
3. Yongdae Shin, Clifford P Brangwynne. Liquid phase condensation in cell physiology ａnd disease. Science. 2017 Sep 22; 357(6357): eaaf4382.
4. Mingjian Du, et al. DNA-induced liquid phase condensation of cGAS activates innate immune signaling. Science. 2018 Aug 17; 361(6403): 704-709.
5. M Delarue, et al. mTORC1 Controls Phase Separation ａnd the Biophysical Properties of the Cytoplasm by Tuning Crowding. Cell. 2018 Jul 12; 174(2): 338-349. e20.
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7. Archishman Ghosh, et al. Three archetypical classes of macromolecular regulators of protein liquid-liquid phase separation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019 Sep 24; 116(39): 19474-19483.
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9. Richard J. Wheeler, et al. Small molecules for modulating protein driven liquid-liquid phase separation in treating neurodegenerative disease. BioRxiv(2019): 721001.
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11. Avinash Patel, et al. A Liquid-to-Solid Phase Transition of the ALS Protein FUS Accelerated by Disease Mutation. Cell. 2015 Aug 27; 162(5): 1066-77.
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