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近期研究热点介绍 | 相分离
来源: | 作者:geneseed | 发布时间: 2019-11-05 | 130 次浏览 | 分享到:


为帮助大家选择国自然基金的方向和课题,我们陆续整理了一些近期热点的研究方向和关键词。今天首先给大家介绍
“相分离”。什么是相分离呢?相分离的研究有哪些重要的进展?怎样研究相分离呢?下面就让我们带着这些问题一起学习一下:


什么是相分离?
“相”是物质形态的科学说法,比如气态,液态,固态就是三种最常见的“相”。物质在不同的“相”之间发生变化的过程就称为相变。细胞内的生物分子也存在不同的“相”,主要是液态和固态形式。“相分离”( Phase transition)在细胞生物学中指的是生物大分子在胞内聚集的一种特殊状态。类似物理化学中物质“液态”与“固态”相互转变的过程。有学者认为这种相分离的结构也是一种新型的细胞器,是无膜细胞器的一种形式。细胞内的相分离现象是比较普遍的,错误的相分离过程往往导致蛋白异常聚集(如神经退行性疾病中的淀粉样蛋白),不正常相分离也可能在癌症或衰老中发挥作用。

细胞中已报道的相分离机制与很多重要的基础生命活动密切相关,如超级增强子就是一种相分离的机制。相分离还在细胞信号转导,细胞周期调控,RNA转录,代谢调控,染色质结构调控等重要基础生命活动中发挥重要功能。相分离是认识蛋白功能的新角度,很多重要的生命活动过程都与相分离有关,因此该方向能持续发表高水平的研究论文。



1 超级增强子也是一种相分离机制 [1]

概括而言,生物大分子的相分离存在以下几个特点:
1)分子由游离状态转变为聚合状态,该过程动态可逆;
2)相关蛋白有高度保守的无规卷曲结构;
3)存在精确的调控机制(翻译后修饰,分子伴侣等)



相分离的重要研究进展
近几年陆续出现了多篇相分离的报道,不乏CNS主刊的文章,目前已发表的相分离有关的论文中,CNS主刊有接近30篇,仅在10月份就有两篇Cell1Nature报道了相分离的机制研究。下面最近的两篇Cell文章为例,简单介绍一下这些文章的基本故事:


Cell
ZO-1蛋白通过相分离调控紧密连接的形成

1031日,Cell文章发表了一篇相分离的重要研究论文,报道斑马鱼中ZO-1蛋白存在相分离变化,肌动球蛋白可帮助其转运至紧密连接处。当组织表皮处于绷紧的状态(张力增大时),细胞之间的紧密连接处会聚集相分离状态的ZO-1,从而增加表皮组织的抗张力能力[2]。本文基于相分离的概念揭示了在表皮机械张力作用下ZO-1聚集的机制,是相分离研究的又一重要成果。



Cell
:染色质相分离调控机制
103日,Cell发表了染色质结构的重要研究论文,报道发现染色质结构也存在相分离的机制。文章在模拟生理环境的缓冲液条件下成功观测到体外组装的染色质也存在相分离的现象,linker DNA的长度,组蛋白H1,乙酰化状态均可影响染色质相分离的状态[3]。本文的研究从相分离的角度重新认识了染色质结构调控的机制,是相分离研究和染色质研究的重大进展。



怎样研究相分离?
相分离研究的关键是要证明所研究的蛋白存在动态可逆的聚集-解聚状态变化,并且这一变化与蛋白的功能有关。因此如何证明这种动态变化状态是关键。常用的技术是基于高分辨率显微镜的光漂白-恢复实验以及体外纯化的蛋白重构相分离的过程。

光漂白-恢复实验 (FRAP
FRAP实验原理是在显微镜的选择区域中采用脉冲的高强度激光将该区域漂白,然后观测该区域随时间推移荧光恢复的动力学过程。FRAP是非常有效的研究分子动力学变化的技术手段,在相分离研究中发挥了重要作用。


2 FRAP实验检测蛋白相分离 ([4]


体外重构相分离
除了在体内通过FRAP等试验分析待研究分子的相分离过程,一些文章还将目标蛋白通过表达纯化,在体外重构了“相分离”的过程。体外重构相分离的过程也是证明存在相分离机制的重要证据。


3 体外重构相分离过程 [4]

 

相分离机制对circRNA研究的借鉴
相分离为细胞内蛋白发挥功能提供了新的角度和机制,为传统的生命科学机制认识提供了新思路,因此能持续发表高水平的研究论文。相分离研究能为circRNA研究带来哪些启发呢?
1紧扣重要科学问题,寻找新机制模型。目前发表的相分离的这些重量级研究论文基本都属于对旧问题的新认识,或者因为引入相分离的机制,对一些生命活动形成了新的认知。所开展的研究回答了重要的基本生命科学问题,因此就容易被顶级期刊和同行认可。这也启发我们,circRNA的研究也需要围绕基本的重要生命活动来开展,看这其中circRNA是否有功能,发挥了怎样的功能。沿着这个思路开展工作或许能有意外的发现和收获。
2相分离思路如何用于circRNA的研究? lncRNA经常通过与蛋白复合物的结合,作为复合物的脚手架(Scaffold)而发挥作用。circRNA也可以与蛋白复合物结合,起类似的作用,那么circRNA是否参与了一些蛋白复合物的相分离过程?有些circRNA翻译产物序列比较短,结构方面倾向于形成无规卷曲结构,这些蛋白或多肽是否也有相分离的机制? 这些问题都值得深入探索。

 

参考文献

1.Hnisz, D., et al., A Phase Separation Model for Transcriptional Control. Cell, 2017. 169(1): p. 13-23.

2.Schwayer, C., et al., Mechanosensation of Tight Junctions Depends on ZO-1 Phase Separation and Flow. Cell, 2019. 179(4): p. 937-952 e18.

3.Gibson, B.A., et al., Organization of Chromatin by Intrinsic and Regulated Phase Separation. Cell, 2019. 179(2): p. 470-484 e21.

4.Sabari, B.R., et al., Coactivator condensation at super-enhancers links phase separation and gene control. Science, 2018. 361(6400).