综述：液-液相分离：机制、作用及其在细胞功能和疾病中的影响

《FASEB BioAdvances》：Liquid–Liquid Phase Separation: Mechanisms, Roles, and Implications in Cellular Function and Disease

　　液态-液态相分离（LLPS）是细胞形成膜less细胞器的基础，参与基因表达调控、神经退行性疾病（如ALS、AD）和癌症的发病机制，并通过小分子（如1,6-己二醇、Lipo酰胺）、基因编辑工具（如CRISPR、PROTACs）和先进显微技术（如超分辨率显微、FRAP、FCS）实现治疗和诊断应用。

　　### 液液相分离：细胞生命活动的调控机制及其在疾病中的作用

液液相分离（Liquid–Liquid Phase Separation，LLPS）是一种基本的生物物理过程，它通过生物分子的自发分离，形成无膜结构的细胞器，如膜状无膜细胞器（也称为生物分子凝聚体或液滴）。这种现象在细胞的多种生理活动中发挥着重要作用，包括染色质组织和基因表达调控。LLPS不仅对正常细胞功能至关重要，其异常还与多种疾病密切相关，如神经退行性疾病（如肌萎缩侧索硬化症（ALS）和阿尔茨海默病（AD））、多种癌症以及病毒感染。这些疾病的病理机制常常涉及特定蛋白质的异常相分离，例如在ALS中与TDP-43相关，而在AD中与Tau蛋白有关。此外，某些癌细胞利用SPOP和YAP/TAZ蛋白进行LLPS，以促进其增殖和转移。病毒则利用LLPS来复制和逃避宿主免疫系统的检测。因此，LLPS在生物医学研究中成为一个非常重要的领域，其研究成果不仅有助于理解基本的细胞生物学机制，还为疾病诊断和治疗提供了新的视角。

随着研究的深入，LLPS的相关知识迅速增长，并逐渐形成一个跨学科的研究领域。这一领域的研究结合了实验技术与计算模型，从多个层面揭示了LLPS的形成机制、功能以及其在疾病中的作用。在生理功能方面，LLPS不仅参与了染色质结构的调控，还涉及基因表达的增强，例如通过在超增强子区域形成液滴状的转录复合体。此外，它还参与了信号传递、代谢调控和细胞命运决定等关键过程。例如，免疫传感器如cGAS通过与DNA形成液滴状结构，促进了第二信使的产生和抗病毒信号的增强。同时，突触蛋白通过LLPS在突触前和突触后密度中形成液滴，有助于神经信号的传递和调控。

在病理机制方面，LLPS的异常通常与疾病的发生发展密切相关。在神经退行性疾病中，某些蛋白质如TDP-43和Tau在特定条件下会经历异常的相分离，导致固态聚集，进而影响神经元功能。在癌症中，某些转录调控蛋白如YAP和TAZ的异常相分离可能导致基因表达的紊乱，从而促进肿瘤的发生。病毒感染中，病毒蛋白和RNA通过LLPS形成特定的凝聚体，有助于病毒的复制和传播。因此，LLPS不仅是一种基础的细胞生物学现象，还成为研究和干预多种疾病的重要切入点。

为了深入研究LLPS，科学家们开发了多种实验技术和计算方法。例如，差分干涉对比显微镜（DIC）能够快速成像液滴状结构，适用于体外相分离的研究。荧光显微镜，包括宽场荧光显微镜和共聚焦显微镜，可以用于观察和分析液滴的动态特性，为理解其形成和功能提供了有力的工具。全内反射荧光显微镜（TIRF）则适用于观察单分子行为和细胞膜附近的液滴动态。超分辨率显微镜技术如单分子定位显微镜（SMLM）和荧光相关光谱（FCS）能够提供更高精度的成像和分子动态分析，从而揭示LLPS的细节。此外，相图作为研究LLPS的重要工具，能够帮助科学家系统地分析相分离发生的条件，并预测其在不同生理环境下的可能性。

为了更全面地研究LLPS，科学家们还建立了多个数据库和预测工具，如LLPSDB、PhaSePro、PhaSepDB、DrLLPS、RNAgranuleDB、HUMAN CELL MAP和DisProt。这些数据库不仅收录了与LLPS相关的蛋白质信息，还提供了实验验证、序列特征和细胞功能的详细数据。例如，DrLLPS包含大量条目，支持大规模的生物信息学分析和跨物种比较。LLPSDB则专注于实验验证的LLPS蛋白，提供详细的实验设置、相行为和相关的生物分子信息。DisProt数据库也开始包含与LLPS相关的功能注释，尽管目前信息尚不完整。CondensateDB作为一个新兴的数据库，系统地记录了不同细胞类型和条件下的生物分子凝聚体及其成分，整合了实验和预测数据，为理解凝聚体生物学提供了新的框架。

除了数据库，还有许多计算工具被开发用于预测蛋白质的相分离倾向。例如，Pi–Pi预测器评估π–π相互作用对LLPS的贡献，PLAAC用于识别类似朊病毒的结构域，而ZipperDB则预测可能参与凝聚体固化或形成纤维的片段。这些工具为研究LLPS提供了理论支持，有助于理解其分子机制。此外，小分子调节剂如1,6-己二醇和Lipoamide也逐渐成为研究LLPS的重要工具。这些分子能够促进或抑制相分离，从而帮助科学家探索其在疾病治疗中的应用潜力。例如，Lipoamide能够溶解由突变FUS和TDP-43形成的细胞质应激颗粒，使其重新定位到细胞核，恢复其核功能，如DNA修复和RNA剪接。

在研究LLPS的生理功能和病理机制的同时，科学家们也在探索其在疾病诊断和治疗中的应用。例如，通过基因编辑工具如CRISPR-Cas9和RNA干扰（RNAi），可以调控与LLPS相关的基因，从而影响凝聚体的形成和稳定性。此外，PROTACs（蛋白水解靶向嵌合体）也被用于调控LLPS相关的蛋白质，通过招募泛素-蛋白酶体系统促进其降解，从而抑制病理性凝聚体的形成。此外，科学家还开发了基于LLPS的诊断方法，如利用CRISPR-Cas12a和Cas13a酶的无标记检测技术，能够通过液滴的形成实现对特定核酸序列的可视化检测。

在疾病研究中，LLPS的影响是多方面的。在神经退行性疾病中，异常的相分离可能导致蛋白质聚集，进而影响神经元功能。在癌症中，某些蛋白质如SPOP和YAP/TAZ的异常相分离可能促进肿瘤的发生和进展。在病毒感染中，病毒利用宿主细胞的生物分子进行相分离，从而实现自身的复制和传播。这些发现不仅加深了我们对LLPS在疾病中的作用的理解，还为开发新的治疗方法提供了理论依据。

LLPS研究的快速发展表明，这一领域具有巨大的潜力。通过整合生物信息学和实验技术，科学家们能够更全面地理解LLPS的分子机制和其在疾病中的作用。此外，LLPS还可能成为新的生物标志物和药物靶点。例如，一些研究显示，针对LLPS的药物筛选可能为神经退行性疾病和癌症的治疗提供新的方向。然而，尽管LLPS的研究取得了显著进展，仍有许多问题亟待解决。例如，决定哪些序列能够发生相分离的“分子语法”尚未完全明确，而凝聚体在体内动态变化的后果也只在一定程度上被理解。因此，未来的研究需要进一步揭示LLPS的分子机制，探索其在疾病中的具体作用，并开发新的干预策略。

总的来说，LLPS不仅是一种基础的生物物理现象，更是细胞生命活动的重要调控机制。通过深入研究LLPS，科学家们能够更好地理解细胞结构和功能的动态变化，并为疾病的诊断和治疗提供新的思路。随着技术的不断进步和研究的深入，LLPS有望成为未来生物医学研究的重要工具，为人类健康和疾病研究带来新的突破。