弱相互作用的強大力量，相分離為何能贏得今年的拉斯克獎？

導讀

2025年，拉斯克基礎醫學研究獎授予兩位科學家：馬克斯?普朗克多學科科學研究所的德克?戈里希（Dirk G?rlich）與德克薩斯大學西南醫學中心的史蒂文?L?麥克奈特（Steven L. McKnight），以表彰他們在揭示蛋白質序列中低復雜度結構域（LCDs）的結構與功能方面所取得的發現。

憑借大膽的想象力與精巧的實驗設計，兩位學者成功揭示了細胞內運輸與細胞組織的新原理。

伊夫林?施特勞斯 | 撰文

潘展 | 翻譯

通常，教科書聚焦于蛋白質的結構復雜性與化學精密性，正是這些獨特的三維結構使這些分子能夠執行特定的生理功能。蛋白質的多樣性源于其氨基酸的排列順序，每種氨基酸都會賦予蛋白質獨特的屬性。

傳統認為，LCDs僅由20 種氨基酸中的少數幾種構成且結構松散，因此被認為幾乎無法承擔重要的生理任務。

然而，真核生物中約15%-20%的蛋白質都含有這類結構域，而戈里希與麥克奈特的研究證實，這些無序的LCDs能在細胞內聚集，為多種生理活動提供支持。

01

破解核運輸悖論

真核細胞內存在眾多膜包裹的區室，這些區室匯集了執行不同的生理功能。細胞核便是常規細胞器之一，其周圍的核膜將核內物質與細胞質分隔開來。分子需通過一套高度選擇性的運輸系統在兩個腔室之間往返，該系統依賴核孔復合體發揮作用。這些由蛋白質構成的通道貫穿核膜，形成核質交換的通路。

21世紀初，核輸入過程的關鍵特征已逐漸明晰，小分子可自主通過核孔，大分子跨核運輸必須依賴轉運蛋白。戈里希在從事博士后研究期間，發現了其中一種轉運蛋白，這是首個被證實能協助蛋白質從細胞質穿過核孔進入細胞核的因子。

目前已知，轉運蛋白還會與填充在核孔中央通道內的蛋白質發生相互作用。這類蛋白質被稱為核孔蛋白，其分子中含有密布著由苯丙氨酸（F）和甘氨酸（G）組成的二氨基酸基序的復雜度較低的區域。此外，這些被稱為“FG 重復序列” 的LCDs無論轉運蛋白是否攜帶“貨物”（即待運輸分子）都能促進其跨核移位，但當時這一過程的具體機制仍不明確。

這些發現引發了一系列難題：轉運蛋白與貨物結合形成的復合體比貨物本身更大，但這種結合反而會加速貨物進入細胞核；而且從常理來看，轉運蛋白與任何物質（此處指核孔蛋白）結合都應延緩運輸進程而非加快速度。

2001年，戈里希利用熒光標記的轉運蛋白及其貨物蛋白對分子從細胞質向細胞核的流入過程進行了測量。研究結果顯示，核孔復合體轉運空載或滿載轉運蛋白的能力與速度遠超此前預期。戈里希對這種高效轉運能力感到驚嘆，但同時也困惑于兩個問題：一是為何大多數分子的進入會受到限制；二是轉運蛋白如何突破這一限制。

他提出了一個模型：核孔蛋白的LCDs由于含有大量苯丙氨酸其本質上具有疏水性，會通過相互結合減少與水的接觸。大分子只需克服排斥力就能穿過這層疏水壁。。

戈里希進一步提出，轉運蛋白會與核孔蛋白的LCDs結合，進而與LCDs內部重復序列間的相互作用形成競爭；在此過程中，LCDs中的氨基酸會彼此分離，轉而與轉運蛋白結合。通過這種方式，轉運蛋白能融入由LCDs構成的網狀結構，該網狀結構會圍繞遷移的轉運蛋白閉合，即便通道內存在大分子，仍能對其他大分子形成阻礙。當轉運蛋白通過核孔時，其后方的疏水鍵會重新形成。這種選擇性溶劑化機制既解釋了轉運蛋白為何能被高效運輸，也闡明了為何無法與核孔蛋白篩網結合的分子會被阻擋在外。

由此可見，核孔的通透性與屏障作用存在內在關聯。戈里希隨即著手驗證這一具有前瞻性的機制。

02

假說逐漸被證實

次年，戈里希發表研究指出轉運蛋白具有異常高的疏水性，且破壞核孔的疏水性會使其處于開放狀態。這些研究進展證實了疏水性在分選過程中的作用，但并未直接證明他所假設的核孔內存在特定物質。

于是，他提取出一種已知核孔蛋白的LCDs，隨后在特定條件下一件既意外又令人振奮的事情發生了——該結構域凝固形成了一種半透明凝膠，這與他此前預測的物質形態完全一致。隨后他通過基因工程技術將該結構域中的每個苯丙氨酸都替換為非疏水性的絲氨酸，結果發現改造后的蛋白質始終保持液態。這一現象表明，疏水性是凝膠形成的關鍵因素。

這種凝膠模擬了核孔的識別功能，它會排斥無法自主通過核孔的測試蛋白，卻允許多種轉運蛋白穿透并在其中擴散。若未與轉運蛋白結合，大分子貨物蛋白幾乎會完全被阻擋在凝膠外。

2006年至2007年發表的這些研究結果令人震驚，但仍有疑問待解。其中最關鍵的一點是，尚無研究證實完整核孔復合體中的分子轉運依賴于含LCDs核孔蛋白之間的結合作用，而這正是戈里希模型的核心要素。他希望在真實核孔復合體的環境中驗證自己的觀點。

戈里希利用蛙卵提取物重組出核孔，并在2012年證實了核孔的通透性屏障依賴于富含苯丙氨酸的重復序列之間的疏水相互作用。這些實驗不僅為他的假說提供了有力支持，還排除了當時其他主流理論的可能性。

從無序到有序

三年后戈里希發表研究稱，在動物、植物、真菌和原生生物等多種生物中均存在的一種核孔蛋白其LCDs能自發組裝成致密顆粒，而這些顆粒可為轉運蛋白及其貨物提供通行通道。這些細胞內臨時形成的、形似液滴的懸浮核孔結構發揮著重要作用。

2021年，戈里希發表了一篇說服力強的論文，為其核孔研究畫上了圓滿句號。他在該研究中證實，一種僅含FG重復序列的簡單合成蛋白便能重現選擇性核輸入過程。他指出屏障的本質是用一段含有12個氨基酸的LCDs序列重復52次，便呈現出了該屏障最關鍵的特性。

03

低復雜度，高影響力

麥克奈特的研究方向是基因調控，而非核孔，但他關注到了戈里希關于核孔蛋白異常凝膠化的論文。一次偶然的發現，讓他找到了具有相似自組裝特性的物質。當時，他正在尋找一種能刺激胚胎干細胞分化為心肌細胞的化學物質的分子伴侶，于是他與合作者加藤雅人（Masato Kato）將這種異噁唑類化合物的衍生物與破碎的細胞混合，結果數百種蛋白質都與該衍生物結合。初看這一結果似乎是災難性的，因為該化學物質似乎在非特異性地結合蛋白質。但麥克奈特注意到，這些被捕獲的分子中，有許多是存在于RNA顆粒中的RNA結合蛋白。

這些RNA結合蛋白有一個顯著的共同特征，即每種蛋白都含有一個序列復雜度較低的結構域。與核孔蛋白類似，這些結構域僅由20種氨基酸中的少數幾種構成（不過具體氨基酸種類有所不同）。數十年前，麥克奈特就曾研究過LCDs——因為這類結構域在許多蛋白質中都賦予了蛋白質激活基因的能力。但一直以來他始終未能闡明當這些松散、無序的結構域從細胞中提取出來后其具體功能究竟是什么。而如今，他竟意外地再次聚焦于LCDs。

為驗證LCDs是否是RNA結合蛋白與異噁唑類化合物結合的關鍵，麥克奈特與加藤雅人從多種RNA結合蛋白中移除了這段氨基酸序列，或把這段移除的序列添加到一種通常不會與該化合物結合的測試分子上。實驗結果表明，LCDs既是二者結合的必要條件也是充分條件。在進行這些實驗的過程中他們發現，一種含LCDs的FUS蛋白會像戈里希研究的核孔蛋白一樣形成凝膠。進一步研究證實LCDs同樣是FUS蛋白具備這一特性的關鍵。麥克奈特于2012年發表了這些研究成果。

麥克奈特的研究立即產生了深遠影響，因為它精準解釋了無膜富RNA 細胞器的形成基礎——這類細胞器形似液滴。此前，克利福德?布蘭溫（Clifford Brangwynne）、安東尼?海曼（Anthony Hyman）（二人均任職于德累斯頓馬克斯?普朗克分子細胞生物學與遺傳學研究所）與弗蘭克?尤利希（Frank Jülicher，任職于德累斯頓馬克斯?普朗克復雜系統物理研究所）已觀察到這類細胞器的存在。在 2009年一篇具有重要意義的論文中，他們證實戈里希提出的相分離原理適用于一種名為P體的無膜富含RNA細胞器，且這種細胞器能快速溶解與凝聚。這些研究者推測，其他具有自組裝能力的細胞結構也依賴類似過程，但并未闡明這一過程背后的分子機制。

麥克奈特通過電子顯微鏡觀察發現，由LCDs構成的凝膠中存在細長且均勻的纖維；X射線衍射結果則顯示這些纖維具有交叉β結構的典型特征，這種結構常見于阿爾茨海默病等疾病中出現的致病性淀粉樣纖維。在這種結構中，蛋白質鏈通過主鏈間的氫鍵堆疊排列。但與傳統淀粉樣纖維具有極強的穩定性不同，FUS蛋白形成的聚集體會在去污劑作用下解體。

與此同時，麥克奈特注意到上述異噁唑衍生物會形成晶體，其表面有一系列凹槽，這些凹槽上氫供體與氫受體的分布模式極具特點，能完美適配展開的蛋白質鏈。他在 2012年發表的論文中提出，細胞內的LCDs正是通過類似的構象相互作用聚集形成 RNA 顆粒。在他看來，LCDs在形成RNA顆粒時的相互作用雖不如形成凝膠時那樣廣泛、持久，但二者的化學基礎是相同的。這種可逆的聚集過程能讓功能性細胞結構在需要時組裝，然后在完成功能后解體（見圖 B 部分）。

要使這一設想成立，麥克奈特需要證實LCDs間的相互作用具有生物學相關性。為此，他通過化學修飾暴露區域的方法，分別在凝膠中和哺乳動物細胞的細胞核內，對一種RNA結合蛋白——hnRNPA2的LCDs進行了研究。2015年，他發表研究稱：該結構域在凝膠、細胞核及液滴中呈現出相似的構象。

為明確其原子層面的細節，麥克奈特與美國國立衛生研究院（NIH）生物物理學家羅伯特?泰科（Robert Tycko）展開合作。固態核磁共振光譜分析顯示，FUS蛋白的LCDs內部存在一個交叉β結構核心。

越來越多的證據表明，在健康活細胞中，LCDs正是通過上述相互作用結合，進而執行關鍵的生理功能，如2021年麥克奈特與泰科發現，細胞骨架成分中間纖維中的LCDs在正常組裝狀態下也呈現出這種交叉β結構。

04

弱相互作用的強大力量

2022年，麥克奈特通過一種創新實驗方法，直接驗證了蛋白質主鏈間的氫鍵（交叉β結構的核心特征）是否參與LCDs的組裝過程。調控這類氫鍵并非易事，因為傳統基因工程方法只能改變氨基酸側鏈而無法作用于主鏈。為此，麥克奈特通過化學手段封閉主鏈中的氮原子以阻斷氫鍵形成，隨后檢測該操作是否會影響LCDs的聚集能力。實驗中，他重點研究了LCDs中一個對相分離至關重要的區域。

這些實驗及其他相關研究，精準定位了主鏈氫鍵促進相分離的作用位點，不僅明確了氫鍵在該過程中的核心參與地位，也進一步證實了細胞內LCDs的相互作用依賴交叉β連接這一觀點。此外，單個氫鍵即可產生可測量效應的發現證實了LCDs的自組裝過程處于一種臨界狀態，微小變化就能使其向聚集或解離方向傾斜。捕捉這些短暫的交叉β相互作用極具挑戰性，而麥克奈特采用的正是此類嚴謹的實驗方法。

值得注意的是，脯氨酸因其主鏈氮原子不具備形成氫鍵所需的氫原子而無法參與氫鍵形成。麥克奈特推測，脯氨酸或許能中斷交叉 β 氫鍵的連續形成從而防止蛋白質發生毒性聚集。他猜想LCDs中用其他氨基酸替代脯氨酸的致病性突變或許能為這一觀點提供佐證。

為驗證這一可能性他重點研究了一類點突變，神經絲輕鏈蛋白NFL、tau蛋白、hnRNPA2蛋白這三種不同蛋白中的這類突變都是編碼基因中用其他氨基酸代替了脯氨酸，并分別導致三種疾病：遺傳性神經疾病夏科-馬里-圖思病、額顳葉癡呆以及佩吉特病。實驗顯示，攜帶致病突變的肽段會發生聚集；而當阻斷突變氨基酸主鏈的氫鍵形成能力后，肽段的正常行為得以恢復。這些研究結果表明，突變通過穩定原本可逆的交叉β連接最終引發了這些疾病。

LCDs蛋白間固有的弱相互作用，為基礎生物學帶來了深遠影響，因為許多生理過程需要靈活切換，需要在特定條件下啟動又在環境改變時終止。短暫的相互作用恰好為這類調控提供了基礎，使生理過程可在外界信號引導下向特定方向轉變。盡管驗證這些轉瞬即逝的分子事件面臨巨大挑戰，但LCDs的作用機制圖景仍逐步變得清晰。

麥克奈特與戈里希的研究證實了蛋白質組中相當一部分——即15%-20%含LCDs的蛋白質，能幫助細胞構建靈活、可逆的結構，這些結構超越了傳統膜包裹細胞器的局限，為細胞功能的組織與調控提供了全新的方式。他們的研究徹底改變了我們對生物學基本問題的認知。

https://laskerfoundation.org/winners/structures-and-functions-of-low-complexity-domains/

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