Biomolecular phase separation research: Milestones, insights, and future trajectories

<p indent="0mm">蛋白质和核酸等生物大分子通过相分离在细胞特定区域富集, 形成无生物膜包被的生物分子凝聚体, 也称无膜细胞器, 为细胞实现了精细区室化. 生物大分子相分离由分子间复杂而又特异的多价相互作用驱动, 所形成的无膜细胞器具有独特的物理特性, 如流动性、融合与分裂能力、表面张力等. 将相分离理论引入生物学研究, 为深入理解生命活动的分子机制提供了新颖的视角. 近年来的研究揭示了生物大分子相分离在众多基本生物过程中的作用, 包括稳定染色质结构、调节基因表达、调控RNA加工、成熟及蛋白质翻译等. 此外, 相分离动态灵活的特征也使其成为细胞响应内外信号刺激, 以及不同细胞类型维持特异亚细胞结构的一种重要方式. 本综述回顾了从生物大分子相分离发现至今的研究进展: 首先概述了无膜细胞器的早期研究历史, 旨在梳理相分离理论引入前无膜细胞器的研究脉络; 其次探讨了相分离的分子机制及生物分子凝聚体的理化性质, 阐释了串联重复结构域和内在无序区域介导的两种相分离发生机制, 并引申出其理化性质与生物功能的相关性; 后续重点讨论了无膜细胞器的众多生物学功能, 突出了无膜细胞器在不同细胞不同环境中功能的多样性和特异性; 最后总结了相分离领域内亟需回答的问题, 并展望了未来领域在成分分析、基础理论、细胞功能、疾病关系、药物开发以及新技术应用等方面的研究前景.