液-液相分离:细胞内的调控机制和疾病发展

液-液相分离(LLPS)作为细胞内的生物-物理现象,在细胞调控、信号传导和生物过程中发挥着重要作用,近年来引起了广泛的关注。本文从LLPS的基本概念、形成机制、生理功能以及与疾病的关联等方面进行探讨,同时展望未来研究的方向和潜在应用。LLPS的研究为我们深入理解细胞内的调控机制和疾病发展提供了新的视角,同时也为药物开发和生物技术的创新带来了新的可能性。

综述:核小体液-液相分离中早期形核过程的分子结构

研究揭示,核小体阵列在体外具有液-液相分离(liquid⁃liquid phase separation,LLPS)的内在特性,被认为在体内引导染色质区域的结构变化。然而,对于形成的异质凝聚物在分子水平的结构研究,长期以来受到技术限制,从而阻碍了研究人员对核小体液-液相分离的深入理解。为了解决这一难题,张蒙等运用先进的冷冻电子断层扫描技术(Cryo⁃electron tomography,Cryo⁃ET)、结合单分子电子断层重构(individual⁃particle electron tomography,IPET)和基于深度学习的分割技术,确定了液-液相分离在不同阶段的凝聚物的分子组织结构。该研究揭示,核小体的液-液相分离过程涉及到两个主要步骤:首先,旋节分解形成不规则的凝聚物;然后,这些凝聚物经过一个不稳定的过渡阶段,转化为更紧凑的球状核,进一步通过聚集更多旋节材料或与其它球状凝聚物的融合,逐渐形成更大的球状聚集体。此外,连接组蛋白H1催化旋节向球状凝聚物转变的速率,比旋节分解速度快出十倍以上。因此,推测这种转变可能涉及到核小体疏水表面的暴露,进而改变了核小体之间的相互作用。这些发现为染色质从间期结构向中期结构转变提供了新的物理机制线索。

甲醇对牛γ-球蛋白液-液相分离的调控研究

主要围绕聚乙二醇-1000(PEG-1000)和甲醇对牛γ-球蛋白(Bovineγ-Globulin)液-液相分离的调控展开。首先观察PEG-1000对牛γ-球蛋白液-液相分离的影响,绘制其二维相图。其次在以上体系中加入甲醇,随着甲醇质量浓度从10 mg·mL^(-1)提升至100 mg·mL^(-1),牛γ-球蛋白混合液的状态发生明显变化;当甲醇质量浓度处于50 mg·mL^(-1)时,与未添加甲醇相比,相分离区域下移扩大。最后在含有甲醇的体系中再加入疏水屏蔽剂1,6-己二醇和静电作用屏蔽剂6-氨基乙酸进行调控,发现液-液相分离被有效抑制。同时结合微量紫外分光光度计测量溶液的吸光度变化,与上述结果一致,由此得出甲醇对液-液相分离的驱动是疏水和静电协同作用的结果。

氯化钾及聚乙二醇对聚脯氨酸-精氨酸液-液相分离的协同影响

由脯氨酸(Proline,P)和精氨酸(Arginine,R)构成的双重复肽是人体内C9ORF72基因异常扩增产生的富含毒性的多肽,其异常扩增及液-液相分离(liquid-liquid phase separation,LLPS)行为是神经退行性疾病发病的重要原因,因此研究多肽的调控行为可以为治疗相关疾病提供帮助.主要利用光学显微成像以及紫外分光光度计技术,研究35个脯氨酸-精氨酸重复多肽(PR 35)的LLPS现象及其调控,并对机制进行分析.发现PR 35的LLPS的发生依赖溶液中氯化钾的浓度,当氯化钾浓度低于2700 mmol/L时,LLPS不会出现,而其浓度高于2700 mmol/L时,LLPS会发生.同时在此临界浓度(2700 mmol/L)溶液中,加入不同质量分数的分子拥挤剂聚乙二醇(PEG1000)后,发现PEG对LLPS具有促进作用,并且随着PEG质量分数升高,促进作用增强.同时通过紫外分光光度计对吸光度进行了分析,得到的结论与显微镜的观察结果一致.

神经退行性疾病相关蛋白病理性聚集和液液相分离研究进展

蛋白质的错误折叠和聚集与一系列神经退行性疾病密切相关,比如阿尔茨海默病、帕金森病等,其主要病理特征是以蛋白质异常聚集形成的淀粉样纤维为主要成分的包涵体。近期研究表明疾病相关蛋白大多能够发生液液相分离,形成动态可逆的液态凝聚物(亦称无膜细胞器),并参与细胞生理过程,而突变、翻译后修饰以及微环境等因素则能促进其发生不可逆液固相变形成病理性纤维。本文以几种神经退行性疾病相关蛋白为例,重点介绍蛋白质病理性聚集和液液相分离的实验研究方法和前沿进展,蛋白质相互作用、聚集和相分离微观机理的理论和计算研究,以及预测蛋白相分离能力的机器学习方法。这些研究对深入理解蛋白质病理性聚集、相变和相分离的微观机制,以及相关疾病致病机理具有重要的科学意义,并对治疗药物的设计和开发具有潜在应用价值。

一价/二价阳离子浓度对蛋白质-核酸液液相分离的调控

蛋白质和核酸的液液相分离(liquid-liquid phase separation,LLPS)对无膜细胞器的形成起着重要作用.在病理研究中,LLPS也可以导致蛋白质的异常聚集从而引起某些神经退行性疾病的发生.因此研究蛋白质-核酸LLPS的有效调控,能够对理解生物结构功能以及相关疾病治疗提供一定的参考价值.主要利用光学显微镜、动态光散射仪以及紫外分光光度计,研究一价/二价阳离子对多聚赖氨酸(poly-L-lysine,PLL)-脱氧核糖核酸(DNA)LLPS的调控,并对其机制进行分析.试验中观察到PLL-DNA的LLPS会随着钠/钾离子浓度的升高而逐渐形成沉淀,从出现沉淀到沉淀最多时,钠/钾离子浓度大约为100 mmol/L到600 mmol/L.在钠离子浓度高于600 mmol/L时聚合物沉淀开始溶解,再次有LLPS发生.然而镁/钙离子对于PLL-DNA的聚合物的调控表现出更高的效率,形成沉淀的镁/钙离子临界浓度为50 mmol/L,重新发生LLPS的浓度大约为300 mmol/L.通过对该溶液的吸光度进行分析,得到的结论与显微镜观察一致,并且该溶液的电泳迁移率随着一价/二价阳离子浓度的升高出现了逆转现象,即电泳值由负变正,说明一价/二价阳离子对蛋白质-核酸LLPS的调控与电荷变化有关,二价阳离子对其调控效率高于一价阳离子.最后,绘制了一种聚合物的结构模型,并为这一相分离过程提供合理的解释.

液⁃液相分离与神经系统退行性疾病

细胞区室化(compartmentation)有助于分隔不同的生化反应,使其相互不产生干扰。有膜细胞器是通过生物膜把细胞内不同的空间分隔,进而实现细胞区室化。研究发现,细胞区室化也会通过细胞中无膜细胞器实现,但核仁等无膜区室的形成机制一直未得到明确。“液-液相分离”(liquid-liquid phase separation,LLPS)机制的发现,为解开无膜区室的谜题提供了全新的思路。现在认为,多种蛋白质和RNA也是通过LLPS机制形成局部的高浓度冷凝物,发挥更强或独特的基因表达调控、细胞信号转导等功能。LLPS的形成主要依赖于蛋白质和/或核酸之间的多价态非共价键相互作用,主要包括由低复杂序列区域介导的相分离及由多个重复结构域间特异性作用介导的相分离。组分浓度、pH和翻译后修饰等条件均能改变分子多价相互作用的强度,从而调节相分离和相变过程。蛋白质相分离的失调与肌萎缩性侧索硬化症、阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈症和帕金森病等多种神经退行性疾病的发生有关。在这些退行性疾病中,已发现TDP-43、FUS、Ataxin-2、Tau蛋白等致病基因的突变,以及修饰会导致LLPS异常而形成病理特征性的聚集体。但这些聚集体是否是神经退行性致病的直接致病因素尚未明确。

激光熔覆铜基合金涂层中的液相分离行为

为了研究铜基合金激光熔覆中的液相分离行为,根据液相分离理论在ZL104铝合金表面成功制备了具有液相分离特性的铜基合金涂层,并采用扫描电镜等对涂层中液相分离形成的分离相(硬质强化相)的形态特征与分布规律进行了观察,研究了不同分离相的形成机制与液相分离行为.研究表明,涂层中的分离相通常呈弥散分布和偏聚2种典型形态.熔池温度较高时分离相表现出"富Mo核心+包围相"的2层复合结构,呈边缘粗糙的不规则近球状形貌,这是由异质形核诱发的液相分离所形成的;温度稍低时强的表面能约束则是影响液相分离的主要因素,并使分离相呈光滑球状形态.当表面能过高时在对流等因素作用下分离相间会发生严重的碰撞凝并,最终形成大块偏聚体.

茂金属聚乙烯共混体系液液相分离行为

研究了茂金属催化的高密度聚乙烯 (mPEO)和传统工艺生产的低密度聚乙烯 (LDPE)共混体系液 液相分离行为 .用DSC测试了共混体系在两种聚乙烯熔点之间的等温结晶动力学 ,发现共混体系经过 15 0℃培养 ,其等温结晶速率明显增快 .在排除成核作用和共结晶的影响后 ,表明上述结果是由于聚乙烯共混体系在熔融态发生了液 液相分离引起的 .从而为聚乙烯共混体系液

Al-In难混溶合金的液相分离过程及显微组织数值模拟

建立了一个描述Al In难混溶合金冷却过程中液—液相变区微观组织演化过程的数学模型。该模型综合考虑了第二相液滴的形核、扩散长大、Brownian碰撞和运动碰撞的共同作用 ,并对模拟的结果进行了可视化动态模拟研究。以Al 3 0 %In合金为例进行模拟 ,结果表明 ,第二相在断面上的体积分数、粒子大小及分布与实验结果基本一致。这说明建立的模型对Al In难混溶合金具有一定实际预测功能。

生物分子液-液相分离的物理化学机制

近年来,有关生物分子通过液-液相分离机制进行组织定位、功能调控的研究发展迅速。相分离产生的聚集体在众多细胞活动事件中发挥了关键作用。这些聚集体的生物功能是以相分离的物理化学性质为基础的。本文将从相分离聚集体的基本性质、相图、微观结构,相分离的统计热力学、实验和分子模拟研究等方面阐释相分离物理化学机制研究相关进展。对于生物分子相分离的重要功能体系进行了列举和归纳,收集了相分离研究的模式体系,探讨了生物分子相分离的生物功能同物理化学机制之间的关系,总结了生物分子相分离的调控机制和调控分子的设计方法,并对生物分子相分离物理化学机制研究的未来发展方向进行了展望。

Zn-Pb合金液相分离机制的研究

根据ＺｎＰｂ合金液相分离过程，建立了两相熔体中弥散相液滴粗化模型，并进行了模拟计算。通过对比试验。

聚乙烯共混物的相容性及液-液相分离

综述了聚乙烯共混物的相容性及液 -液相分离行为 ,介绍了关于液 -液相分离研究两派不同观点的实验条件、实验现象和主要结论。

蛋白质组学研究中的多维液相分离系统

在后基因组时代,蛋白质组学成为新的研究热点。多维液相分离系统具有分离样品动态范围宽、分辨率高、峰容量大、分析速度快、自动化程度高等优点,因而近年来在蛋白质组学的研究中受到了越来越多的关注。本文根据目前已发表的文章,对二维液相色谱(2D-LC)、二维液相色谱-毛细管电泳(2D-LC-CE)、二维毛细管电泳(2D-CE)以及它们在蛋白质组学中的应用进行了系统的综述。

光学显微成像技术在液-液相分离研究中的应用

近十年来,科学家们发现液-液相分离在许多生理过程中扮演重要角色,发挥着许多生物学功能。一旦发生异常,将会导致多种疾病产生。在生物学研究中,光学显微成像技术是液-液相分离主要的研究工具之一。本文阐述了几个重要的光学显微成像技术在液-液相分离的研究中的应用和对比,以观察相分离的存在和形成等过程。详细地阐述了运用共聚焦显微技术中的荧光漂白后恢复技术(FRAP)检测其扩散和物质交换的特性,并总结了应用该技术时的成像条件、注意事项和参数应用,为科学研究者提供技术选择的依据。

改性超细氢氧化镁上浮式固液相分离器设计的基础理论

改变氢氧化镁表面特性和提高氢氧化镁胶体状浆料的固液分离性能,是液相化学法产业化制备高纯超细改性氢氧化镁工艺的关键技术。为了设计超细氢氧化镁湿式改性工艺中的关键设备———固液相分离器,假设了被改性超细氢氧化镁的存在形式,分析了改性集合体的沉浮条件,在建立上浮模型的基础上,提出了改性超细氢氧化镁上浮式固液相分离器设计的基础理论。

W/O/W复相乳液相分离法CoCl_2/PMMA微胶囊制备研究

复相乳液相分离法,Co Cl2·6H2O为核芯,聚甲基丙烯酸甲酯为壳材,CH2Cl2为溶剂,明胶和聚乙烯醇做乳化剂,制备了Co Cl2热敏微胶囊。以Co Cl2包覆率,微胶囊变色性能为评价标准,优化了微胶囊制备条件。优化配方下Co Cl2·6H2O包覆率高,制备的微胶囊变色灵敏,41℃下变色时间为42s,复色时间126s,在粉红色和蓝色之间可逆变化。

三个价型六种盐对C_8-卵磷脂胶团溶液液相分离影响的研究

本文研究三个价型六种盐对C_8-卵磷脂微团溶液的液-液相分离调控的规律,测定出各种加盐溶液的两相共存曲线,获得了各系统相变临界温度T_c随盐类型和盐离子强度变化的关系。用我们先前导出的关于盐对该微团溶液相变影响关系的方程式为T_c=T^0_c-A_1[I]~1.2+A_2[I]对本实验结果的拟合表明,这六种加盐微团溶液的液-液相分离亦遵从同样的变化规律。从而为揭示各种价型无机盐对两性离子化表面活性物质微团溶液液相分离的作用规律和机制提供了进一步的实验与理论依据。

液-液相分离在基因转录调控中功能机制的研究进展

基因表达的转录是指在RNA聚合酶的催化下,以单链DNA为模板,合成mRNA的过程,这一过程需要多种不同蛋白大分子相互协调,在基因组DNA位点上组装成大型稳定的蛋白复合物,通过转录调节在基因表达中发挥核心作用。转录蛋白分子复合物可以通过多价相互作用,形成液-液相分离聚集,定位于细胞核中特异的基因位点处,参与基因转录的调控。目前液-液相分离在转录调控过程中的功能机制尚不完全清楚,现从基因转录抑制、转录激活、转录延伸和剪接等方面阐述液相分离在基因转录过程中的研究进展,总结其对基因表达调控的研究成果,为生物分子液-液相分离在基因转录中的进一步研究提供依据。

一种新的热台温度校准方法:硫酸盐-水体系液-液相分离原位观测

以MgSO_4、ZnSO_4、CdSO_4和Li_2SO_4-H_2SO_4溶液为例,描述了熔融毛细硅管中硫酸盐-水体系的高温液-液相分离现象,即均一的溶液相分离为富集硫酸盐和贫硫酸盐的两个液相。相行为观测和原位拉曼光谱分析表明,金属离子和SO_4^(2–)之间复杂的络合作用是导致液-液相分离发生的主要原因。首先,液-液相分离的发生温度在低浓度溶液中随浓度升高而降低,而在高浓度溶液中则随浓度升高而升高,并呈现典型的临界相转变现象,而临界相转变现象是聚合物溶液的典型宏观特征;其次,ν_1(SO_4^(2–))光谱随温度升高逐渐变宽,且不对称性加强,表明离子络合作用随温度升高而加强。以MgSO_4水/重水溶液为例,随着温度升高,先后在溶液相中检出"自由"SO_4^(2–)(~980 cm^(–1))、接触离子对MgSO_40(~992 cm^(–1))和三离子离子对Mg_2SO_4^(2+)(~1003 cm^(–1))的信号,而相分离发生后在富集硫酸盐的液相中检测到位于~1020 cm^(–1)新的ν_1(SO_4^(2–))组分,其代表了更为复杂的Mg^(2+)-SO_4^(2–)络合物。关于Mg^(2+)-SO_4^(2–)络合作用和硫酸盐-水体系液-液相分离的研究,有助于深化白云岩成因和海底热液系统中SO_4^(2–)在多孔岩石中迁移及还原为S2–的研究。受溶液组分影响,硫酸盐溶液呈现较为宽广的液-液相分离发生温度范围(150~360℃),对特定组分的硫酸盐溶液来讲,液-液相分离发生温度可重复性强,能够作为热台温度校准的标样。结合熔融毛细硅管合成流体包裹体技术,提出了一种新的热台温度校准方法。