生物分子凝聚物：细胞生物化学的组织者

摘要

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介绍

细胞生物学中的一个基本问题是如何组织密集的细胞空间，以便在空间和时间上控制复杂的生化反应。实现时空控制的一种方法是调节反应组分的定位——将组分集中在一起可以提高反应动力学，而将它们分开可以减缓或抑制反应。这些差异可以改变通过特定途径的流量，保护细胞免受蛋白质水解、不适当的共价修饰和低pH值影响等破坏性活动的影响。事实上，体内酶反应组分通常包装在不同的亚细胞隔室中。

经典的细胞器，如内质网或高尔基体，是由周围的脂质双层膜定义的隔室。这些膜对大多数生物分子是不透水的。因此，经典细胞器的内部和外部在物理上是分开的，细胞器的组成是通过专门的膜运输机械调节的。

然而，许多细胞室不受膜的束缚(图1a). 例如RNA–蛋白质颗粒，如核仁、Cajal小体【G】和PML核体【G】在原子核中¹以及细胞质中的应激颗粒和生殖颗粒^2,三膜上的信号分子簇，虽然本质上是二维的，但可以在类似的光线下观察。这些微尺度结构都是由它们将蛋白质和核酸集中在离散细胞位置的能力来定义的。由于它们缺乏将内部成分与周围介质分隔开的物理屏障，多年来，它们如何浓缩分子、维持和调节结构、控制成分和调节内部生物化学活动一直是个谜。

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图1。

真核细胞中的生物分子凝聚物

A） 真核细胞的细胞核、细胞质和膜中大量凝集物的示意图。一些隔间仅出现在特定的单元类型中，但此处显示的是完整性。例如，Balbiani小体和生殖颗粒是生殖细胞特有的（绿色），RNA转运颗粒和突触密度见于神经元细胞类型（粉红色）。请参见补充信息S6（表）有关单个冷凝液的更多信息。

B）秀丽隐杆线虫胚芽颗粒，即P颗粒，是核周凝结物，其行为类似于液体。剪切力下P颗粒实时延时成像的蒙太奇（箭头，左上）。P颗粒在细胞核周围变形、滴落并相互融合（中间的圆形结构用白色勾勒出来）（根据Brangwyne等人2009年的许可改编的图）。另请参见补充信息S1–S4（电影）。时间点：0s、21s、32s、36s、46s。

在这篇综述中，我们讨论了基于聚合物化学和软物质物理原理的细胞和生物化学观察，这些观察导致了无膜隔间的新物理模型。该模型将无膜隔间的许多观察行为，包括膜相关分子簇和三维结构，统一在一个共同的框架下。我们讨论了该模型如何解释无膜隔室的组装和溶解、组成和功能的许多方面。我们提出了在细胞中调节这些特征的机制。最后，我们以这一令人兴奋的生物学领域中的一系列主要开放性问题作为结束。

相分离液体隔间

19世纪30年代，在神经元细胞核内发现了第一个无膜隔室，后来被称为核仁⁴自那时以来，在几乎所有真核细胞的细胞核、细胞质和膜上都发现了许多这样的细胞隔。提高显微镜的分辨率和对其分子组成的描述揭示了它们在形状、动力学和组装方式上的相似性，尽管在组成、位置和功能上存在差异。每种类型都包含许多分子成分。这些细胞可以在结构内稳定地浓缩数小时至数天，然而几十年的光漂白恢复实验始终表明，许多细胞器可以在数秒至数分钟的时间尺度上与周围介质交换^5–7。他们还表现出意外行为，例如两个相同类型的人接触后熔断^8–14. (补充信息S1–S4（电影）). 直到最近，还不清楚如何用物理和分子术语解释这些特性。

理解无膜细胞器形成的物理过程的一条重要线索来自P颗粒秀丽隐杆线虫生殖细胞是类似液体的隔室。颗粒是由许多蛋白质和RNA组成的核周无膜小室(图1b). 与大多数其他细胞体（200–1000 nm直径）相比，P颗粒尺寸相对较大（2–4μm直径），因此可以对其形成进行定量分析。P颗粒相互融合¹⁴然后放松成球形(图1b,补充信息S1（电影）). 光漂白实验表明，蛋白质在P颗粒内高度流动，并与周围细胞质快速交换¹⁴至关重要的是，在剪切力作用下，P颗粒可以在其他结构表面自由流动和变形，也可以发生裂变¹⁴总之，这些观察结果表明P颗粒是液体，通过与周围细胞质的液-液分层（相分离）形成（见下一节）。相分离的概念说明了秀丽线虫胚胎第一次细胞分裂期间P颗粒是如何不对称分离的¹²²我们注意到，这种相分离的结构在物理性质和功能上与典型的大分子组装体（如核糖体；详细信息请参阅补充信息S5（方框）). 由于对P颗粒的研究¹³、DNA损伤修复部位^15,16和应力颗粒¹⁵也显示出类似液体的特性，突出了相分离是无膜隔间形成的常见机制的可能性¹⁷如下文所述，相分离原理确实可以解释具有不同材料属性以及复杂组织（如层）的此类结构的形成。相界的存在解释了分子如何在没有周围膜的情况下集中在细胞中的一个位置，但仍然提供了一个适合细胞生物化学的环境，这取决于快速扩散。相分离还提供了一个统一的原理，解释了不同类型分子形成的非膜束缚隔室。

非膜结合隔室在物理性质、维度（膜相关或可溶性）、分子组成、亚细胞位置和功能方面差异很大。多年来，它们被称为多种名称，包括细胞体、核体、无膜细胞器、颗粒、斑点、聚集物、集合物、膜斑点等。这里我们提出一个新名称-生物分子缩合物-它强调了所有结构的一个共同特征，即它们能够独立于所有其他特征集中分子，以及它们由生物分子组成。我们将这个名称应用于膜相关结构和各种非膜结合的细胞器和颗粒，因为我们认为它们是通过类似的机制形成的。该术语还提供了凝聚态物理概念的链接¹⁸，正如我们将在下面看到的，这对于理解这些结构的形成是重要的。

多价驱动相分离

分子将在溶液中混溶，直到达到溶解度极限，它们相分离的阈值浓度。详见方框1，这一行为可以从经典热力学中理解。在细胞中，通过分子在不同化学性质（例如浓度）的隔间之间的快速运动，分离相的存在能够维持化学平衡。

方框1。

相分离热力学

为了理解相分离，我们首先考虑自由能【G】溶液（见图a）和化学势（见图b），这是溶液的一阶导数（关于分子组成）。这些性质取决于每种分子在其化学键中所拥有的能量、其位置以及在系统中的浓度。对于溶剂中非相互作用溶质分子的简单系统，自由能作为溶质浓度的函数是单峰的，化学势是单调的（见图，实心红色曲线）。给定的化学势值对应于独特的溶液成分。在这些条件下，溶质分子平均均匀分布，以使系统的熵最大化。产生浓度（和化学势）瞬态不均匀性的波动被扩散通量消散，扩散通量使整个系统的化学势差相等，并使自由能最小化（有关进一步讨论，请参阅¹⁸)。

然而，当溶质分子相互作用时，自由能曲线变成多峰曲线，化学势曲线变成非单峰曲线（见图，虚线和箭头）。然后，一些化学势值对应于两种不同的溶质浓度，通过将溶质分子分成两个浓度不同但化学势相等的隔间，可以将系统的自由能降至最低（见图，固体teal曲线）^24,115。

就分子而言，所有大分子都表现出不同程度的弱、非特异性相互作用以及与溶剂（生物中的水）的相互作用。这些相互作用往往亲和力很低，寿命短，缺乏立体特异性【G】分布在分子表面。本质上，大分子的溶解度——它们相分离的浓度——取决于大分子之间的弱相互作用与大分子与水之间的弱交互作用之间的平衡。当大分子之间的相互作用弱于大分子和水之间的作用时（所谓良好溶剂条件），大分子在所有浓度的溶液中保持混溶。然而，当大分子-大分子相互作用比大分子-水相互作用强得多时(不良溶剂条件），大分子具有有限的溶解度，并具有相分离的倾向¹¹⁶在这种体系中，相分离发生在大分子与大分子相互作用的有利能量开始克服溶液保持均匀混合的熵倾向的浓度。在这个溶解度极限下，分子混合物分为两个阶段：大体积、低浓度稀相，体积小，浓度高凝聚相.此类系统中的相分离状态具有最小自由能（平衡）。两相中的化学势相等，消除了相之间的净扩散通量，同时允许单个分子在它们之间移动。因此，集中隔间得以持续保持。在平衡状态下，相分离液体系统允许细胞在没有恒定能量输入的情况下保持浓度差异。另一方面，非相分离系统中可溶性分子的梯度，例如在细胞极性系统中¹¹⁷，需要恒定的能量输入。

生物分子缩合物通常富含多价分子，也就是说，含有多种元素的分子可以进行分子内或分子间的相互作用^19–23.详见方框2这一点很重要，因为聚合物科学中的经典概念表明，多价分子在混合时会自然组装成大的低聚物或聚合物，并且这种组装会因熵而固有地降低分子的溶解度【G】-驱动效应²⁴促进了它们的相分离。多价大分子的耦合组装和相分离已成为缩合物的重要组织原理。这个想法可以广泛应用于理解各种多价分子的相分离行为，包括由多个模块化相互作用域组成的蛋白质、包含提供多个弱粘附序列元素的无序区域的蛋白质，以及RNA和DNA分子，它可以容纳结合其他核酸分子和蛋白质的多个区域。此外，正如我们将在下文中看到的，这种机制自然导致了调节相分离的生物手段，以及冷凝液的组成、物理性质和生化功能(图2)。

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图2。

液-液相分离过程中合成系统和自然系统多价相互作用的不同模式

A） （左）Nephrin包含三个磷酸化Tyr（pTyr）基序（蓝色小圆圈），它们与Nck上的SH2结构域（深蓝色）相互作用。Nck还包含三个SH3结构域（蓝色），与神经Wiskott-Aldrich综合征蛋白（N-WASP）中的大量富含脯氨酸基序（PRM）（粉红色）结合。（右）工程多价模型系统，由多个SH3或SUMO结构域（蓝色）组成，与分别含有多个富含脯氨酸或SUMO-相互作用基序、PRM或SIM（粉红色）的多价配体配对。请参见¹⁹了解详细信息。

B） Edc3通过其YJefN结构域（绿色矩形）二聚化，并通过其LSm结构域（蓝色）与Dcp2中富含亮氨酸的螺旋基序（紫色三角形）结合。请参见²⁷了解详细信息。

C） 恐核蛋白（NPM1）通过其寡聚结构域（绿色三角形）组装成五聚体，并通过其带负电荷的酸性束（粉红色矩形）与含有带正电荷的富氩线性基序（R基序）（蓝色矩形）的蛋白质结合。NPM1还可以通过其核苷酸结合域（未显示）与潜在多价核酸结合。请参见²³了解详细信息。

D） RNA结合蛋白PTB通过其RNA识别基序（蓝色方块）与RNA中的UCUCU束相互作用（通过AAAA连接子连接）。请参见¹⁹了解详细信息。

E） 通过芳香族残基和碱性残基之间的阳离子-π相互作用，将本征无序区域（IDR）联系起来，如DDX4²²。

F） 酸性和碱性束之间的有图案的分子间静电相互作用，如Nephrin胞内结构域（NICD）和带正电荷的伙伴之间的相互作用，例如增压GFP（scGFP）⁴³。

G） 单个分子物种中酸性和碱性束之间的模式化静电相互作用，如P颗粒蛋白Laf1³³。

H） 多肽中β链之间的多肽骨架相互作用，如FUS和hnRNPA1/2^15,34,42,48。

一） 相图是聚合多价组分中存在的模块浓度的函数，对冷凝液的形成至关重要。增加组分A的细胞浓度将促进相分离。

J） 通过增加A和/或B的价或A和B之间的亲和力来增加临界浓度，从而调节冷凝液的形成。如插图所示，第三种相互作用组分的存在可以增加有效价。

K） 通过降低组分A的固有溶解度来调节冷凝液的形成。随着分子A的溶解度降低，低浓度的A可能会发生相分离。

装配的调节

上述促进相分离的物理机制（有关更多详细信息，请参阅方框1和2)建议控制生物分子冷凝液主要特征的方法，包括其总体积、组装和拆卸。具体来说，由于分子将相分离，直到化学势的值【G】两种物质在两相中匹配，这种控制可以通过改变冷凝液成分的细胞浓度和/或它们的相分离倾向来实现¹⁸。

组成规定

单个生物分子缩合物具有特定的组成，通常集中在十到几百种不同的蛋白质，通常还包括RNA分子。它们的组成是动态控制的；有些成分是构成的，但许多只是暂时被吸收，例如在细胞周期的特定阶段或对刺激的反应^60,62–65我们如何理解这种复杂性？到目前为止，很少有人从总体上了解凝析油的成分控制。最近一次开发解释成分的通用框架的尝试是基于将凝析油成分分为两个定性类别²⁹。第一个是脚手架，它们是形成结构所必需的驻留分子。遗传学研究表明，这些通常只是凝析油组分的一小部分。例如，PML是已知唯一对形成PML核小体至关重要的蛋白质⁶⁶同样，Spd5是形成秀丽线虫中心体⁶⁷，TIA1用于应力颗粒⁶⁸，副啄木鸟的NEAT1非编码RNA【G】和P体的mRNA²第二类组件，称为客户端，由凝结水组件不需要的分子组成。它们构成了大多数组件，通常通过直接与脚手架结合，以规定的方式定位于冷凝液^60,62,65。

该研究使用由多价支架及其同源低价客户组成的简单模型系统来阐明成分控制原理²⁹.两者在体外在细胞内，由polySUMO–polySIM支架形成的相分离液滴根据支架组件的相对化学计量学，不同地招募低价客户（例如GFP-SUMO或GFP-SIM）(图3a和​和3b）。3亿). 通过改变支架中SUMO与SIM的比率，可以快速诱导成分的变化。特别是，在化学计量相等的情况下，即使polySUMO和polySIM的相对浓度发生非常小的变化，也可能导致客户招募发生巨大变化。此外，具有更高配价的客户（例如包含多个SUMO域）的招募力度更大(图3c). 哺乳动物PML核小体和酵母P小体也观察到类似行为。在这两种情况下，扰动支架化学计量学（分别通过突变SUMO酸化位点或调节细胞mRNA水平）导致客户招募发生变化。因此，尽管凝析物很复杂，但它们的组成可以至少部分地通过简单的原理来解释。

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图3。

生物分子冷凝液成分控制模型

构成缩合物支架的多价分子包含互补模块（蓝色和黄色，例如分别为小泛素相关修饰（SUMO）结构域和SUMO相互作用基序），其允许支架的组装形成相分离结构（大圆圈）。本例中的客户分子具有与支架组分互补但价较低的相互作用模块，并通过与支架中的自由同源位点结合而被招募到结构中（由于其中一个模块的化学计量过量）。

A） 含有蓝色模块的支架组分的化学计量过剩产生游离蓝色支架部位。包含黄色模块的客户可以通过绑定到脚手架-脚手架交互未占用的蓝色脚手架站点来招募到身体。

B） 含有黄色模块的脚手架组件的化学计量过剩产生自由黄色脚手架部位。包含蓝色模块的客户可以通过绑定到黄色脚手架站点（脚手架-脚手架交互未占用）来招募到身体。

C） 当黄色脚手架模块的化学计量过量时（但当蓝色脚手架过量时（未显示）），蓝色客户端的高价促进了该客户端的更强招募。经Banani，S.F.许可修改的图。等.细胞(2016).

除了特定的结合相互作用外，一般的静电特性也会影响客户招募冷凝液。最近在重构的LAT信号簇中显示了这一点，该信号簇选择性地排除带负电荷的蛋白质并集中带正电荷的蛋白质，这可能是因为这种缩合物的支架成分带有高度负电荷²⁶特异性结合和静电相互作用的相对重要性可能在不同的系统之间变化。

基于IDR的阶段分离系统也显示了选择性招募客户。在某些情况下，这可以类似于基于域的系统来理解。例如，减少hnRNPA2和FUS中Gly/Ser-Phe/Tyr-Gly/Ser基序的数量会降低其招募到基于IDR的液滴中的效率在体外⁴⁸并转化为细胞中的应激颗粒⁴⁰分别通过降低这些客户的价格。然而，在其他系统中，控制客户招募选择性的分子机制尚不清楚^42,22。

物理特性控制

许多生物分子缩合物具有液相性质。然而，有些看起来更像固体⁶⁹或者有类似固体的元素⁵¹此外，相分离液滴的物理性质和组织会随时间发生变化。由于这些属性可能会影响冷凝水功能（见下文），因此它们可能受到监管体内。

基于IDR的成熟度阶段

FUS和hnRNPA1的相分离液滴与可溶性相快速交换分子（通过光漂白后的荧光恢复进行评估），含有大量无序蛋白质（核磁共振显示FUS），宏观上表现为液体^{15,34–36,42,48}然而，最初是流体的含IDR蛋白质形成的许多液滴在数小时内变得更粘弹性（例如，FUS、Pub1、LSm4、eIF4GII、Tia1、hnRNPA1、Whi3和Fib1），最终表现为固体，并停止与周围环境交换分子。此过程称为成熟，或硬化^{15,34,36,42,48,70}在体外观察到的这些硬化状态的材料特性尚不清楚，但可能是凝胶、玻璃或两相固体。也可能发生到期体内，因为一些冷凝液表现为固体（例如Balbiani体【G】⁷¹和酵母应激颗粒⁶⁹)或包含类似固体的子结构（见下文）。巴尔比亚尼机构在这方面特别有趣。它们是存在于未成熟卵母细胞中的大型无膜结构，被认为在卵母细胞休眠数十年期间保护细胞器。在爪蟾卵母细胞中，它们是由一种称为XVelo的含朊病毒域蛋白形成的，当该蛋白从杆状病毒中表达时，会形成固态结构。其他含有朊蛋白样结构域的蛋白质，如FUS，在体外形成液体¹⁵的确，FUS的类朊蛋白结构域的表达形成液体，而Xvelo的表达形成固体⁷¹因此，材料属性似乎部分由类朊蛋白域编码。然而，Xvelo是从头形成一个类似巴尔比亚尼的固体体，还是通过更类似液体的状态成熟尚不清楚。注意，由模块结构域组成的蛋白质形成的相分离液体没有观察到成熟；在这些系统中，动力学行为是恒定的，并由模域-配体相互作用的亲和力和动力学决定²³。

几种可能的机制可以解释成熟(图4). 未折叠的蛋白质有通过b链相互作用形成淀粉样纤维的倾向⁷²。由于蛋白质浓度较高，对于相分离液滴中的IDR而言，这种行为应该得到加强^42,43聚合物倾向于在缩合相采用扩展构象，这使得多肽链容易形成β-股状接触^24,73,74因此，相分离可以提高淀粉样纤维的成核和/或生长速度，从而通过横向接触进一步交联。事实上，液滴会成熟在体外伴随丝状结构的宏观形成^{15,34–36,42,48}，完全成熟的液滴含有电子显微镜观察到的淀粉样细丝^21,42,71根据硫黄素T染色评估，Balbiani小体富含b片。化学足迹研究表明，冷凝液中的纤维形成也发生在细胞中⁴⁸作为纤维形成的替代方法，如果b链（或侧链）相互作用快速形成并缓慢解离，一些系统可能会被动力学捕获，或在无定形交联状态下“玻璃化”，阻止向正规淀粉样蛋白发展⁷⁴(图4). 最后，聚合物链的缠结增加（链相互缠绕，无法交叉）也可能以类似于成熟的方式改变冷凝水的性质⁷⁵后一种机制可能解释了以下观察结果：酵母应激颗粒表现为固体，但似乎不含纤维⁶⁹虽然还缺乏详细的实验研究，但在这些情况下，随着成熟的进行，液滴的分子动力学变慢，硬度增加，可能是由于i）纤维长度、数量、交联密度和强度的增加，ii）b链或侧链相互作用的密度和强度增加，或iii）纠缠程度。

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图4。

改变生物分子缩合物的材料性质

由本征无序区域（IDR）组成的冷凝液具有成熟的倾向，其性质从液态变为固态。最初，凝聚相中的组分只表现出瞬态相互作用，缺乏明显的顺序。因此，分子自由重排（并与周围溶液交换），分子动力学可以描述为液体动力学。随着时间的推移，液体变得更像固体。如文中所述，已经提出了这种“硬化”的几种潜在机制以及伴随而来的分子动力学下降。简言之，这些可能包括淀粉样纤维的成核和伸长、动态捕获到无定形玻璃中（“玻璃化”）或无序多肽的缠结。依赖ATP的机制，如伴侣蛋白和解聚酶，预计会对这些过程起作用（不依赖ATP的其他机制也可能起类似作用）。

多相生物分子缩合物

到目前为止，我们讨论的研究涉及单个凝聚相和更稀的周围相。然而，一些生物分子凝聚体由不同的亚室组成，即它们在初级凝聚相中含有次级凝聚相^51,70,91,92最近的一项研究对核仁进行了详细的研究，证明了小室具有不同的粘度、表面张力和组成⁷⁰相的不同表面张力使一个小室被另一小室封装，这是基于IDR或组件折叠域的不同多价相互作用产生的。如何调节这种多相冷凝液的组成，以及如何在细胞中开始组装这种结构，仍然是一个悬而未决的问题。

不同的小班根据其组成可能有不同的成熟倾向。例如，核仁的（内部）致密纤维亚室比（外部）颗粒成分更容易成熟，并且可能在细胞中表现出一系列粘弹性行为，这些行为可能受到调节^13,70如它们的名字所示，这些小室的电子显微镜图像显示出明显的纹理⁹³类似地，卡哈尔体有时会显示出可通过电子显微镜观察到的卷曲结构^22,42,94而其他时间看起来更各向同性。这些卷曲元件可能代表嵌入较大液相中的纤维结构。最近的生物化学和高分辨率成像研究表明，其他凝析油也含有表现为固体的亚结构^13,51,91,92。虽然这些小室的功能尚待确定，但细胞似乎有可能调节固体与液体材料的相对量，以产生功能效应，例如调节反应动力学或稳定结构以抵抗机械力（见下文）。

功能含义

到目前为止，我们已经讨论了驱动生物分子缩合物形成的物理化学和分子机制，以及如何调节其组装、组成和材料属性。凝析油的这些特征提供了独特的机会，不同于大分子复合物提供的机会(补充信息S5（方框）)，用于控制细胞的生化环境⁹⁵在本节中，我们描述了冷凝液的性质如何转化为其生物功能。

生物分子缩合物对反应动力学的影响

冷凝水大大增加了当地化学物质的浓度。在最简单的情况下，浓度的增加会加速结构内部的反应(图5a)（但请注意总体的只有当反应的酶和底物都浓缩在冷凝相中时，反应速率才会增加，但如果单独浓缩，反应速率就不会增加）。在一些细胞系统中观察到了这一点。例如，当组蛋白mRNA处理的关键成分未能集中在组蛋白位点体内时，组蛋白mRNA处理的速率显著降低⁹⁶斑马鱼Cajal身体成分也表现出类似的效果⁹⁷与小核核糖核蛋白计算模型的一致性【G】在这些结构中组装⁹⁸生物化学上也观察到相分离加速反应。例如，锤头状核酶的总溶液活性【G】当它与其底物RNA链一起浓缩成相分离液滴时，可增加约70倍在体外⁹⁹.通过将Arp2/3络合物和N-WASP浓缩到模型膜上基于Nephrin–Nck–N-WASP的液滴或簇中，也可以大大加快肌动蛋白聚合速度^19,25。

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图5。

形成生物分子冷凝液的功能后果

A） 浓缩缩合物中的反应物可以提高反应动力学和特异性。显示了具有两种替代底物的酶。将酶与其一种底物在凝聚相中共定位（黑色圆圈）可加速与该底物的反应速率。此外，排除替代途径的底物可以引导特定反应在冷凝液中发生。

B） 细胞体物理性质的变化会影响反应动力学。例如，通过纤维形成（或其他成熟机制，见正文）增加细胞体的粘度，可能会减缓分子扩散，降低反应动力学。

C） 冷凝液中的固定分子可以防止涉及本体相中的伴侣的反应。这可以通过各种途径控制底物通量。

D） 本体相中基本冷凝组分的浓度固定在相分离阈值（由分子的溶解度极限定义）。因此，尽管表达或降解出现波动，但仍可以保持这些组分在体相中的浓度。

然而，浓缩到凝聚相并不总是产生总的反应速率加速。例如，被称为导向RNA的小核RNA修饰的基本因子通常集中在Cajal体内。然而，破坏Cajal小体的形成，从而在核质中分散导向RNA似乎并不影响小核RNA修饰的效率^22,100类似地，当将嘌呤生物合成途径中的酶与其底物浓缩到相分离液滴中时，酶的活性没有显著增强在体外¹⁰¹这种缺乏增强的原因是，与溶液中的酶活性相比，液滴中酶对底物的比活性较低。在未发表的研究中，我们观察到相分离液滴中的高浓度支架和酶经常相互干扰，支架组分抑制酶活性，酶通过共价修饰支架分散液滴。在细胞中，可能存在防止或利用这种干扰的机制。

冷凝液的许多物理特性可能会影响其内部发生的反应。分子拥挤——由于大分子浓度高而导致的可及体积减少会影响变构调节和结合亲和力，从而改变酶的活性¹⁰²此外，冷凝液是多孔结构（见下文），这也会对其内部分子的运动产生复杂影响。含有高浓度小分子（如甘油）的溶液会减缓其中所有分子的运动，从而降低反应速率。但含有浓缩聚合物基质的溶液会表现出不同的行为。在这种情况下，浓缩支架组分之间的自由体积将表现为孔，小蛋白质将通过孔移动，就像没有聚合物一样；只有不适合这些孔隙的大分子或结合聚合物的分子才会缓慢移动¹⁰³这种效应对凝聚物的影响——尤其是那些含有RNA-i的凝聚物——可能是显著的，因为它们由大RNA分子、不同大小的蛋白质和小有机化合物的组合组成。此外，凝析物的各种粘弹性性质，例如由IDR成熟度、多结构域支架的相互作用动力学、RNA组成控制^104,36或活性（耗能）过程，可能会影响其中分子的动力学(图5b)在相界处。粘弹性的变化也会影响凝析油的组成。了解这些行为将从描述复杂、异质介质中化学的额外实验和理论工作中受益匪浅。

结论和观点

过去几年的研究在理解生物分子凝聚物形成、调节和功能的分子机制方面取得了重大进展。许多这种结构似乎是通过多价分子相互作用驱动的液-液相分离形成的。这种机制自然导致了控制冷凝液的组装和拆卸、组成和物理性质的途径。这些途径反过来又对它们内部发生的生物化学以及它们的细胞功能产生影响。

相界允许分子在冷凝液中集中，同时与周围环境持续交换，而不会通过膜屏障进行复杂的运输。因此，与经典细胞器相比，冷凝液的组成可以更灵活地调节，而无需专门的分子和信号来输入和输出。例如，一种更通用的机制，如电荷，可以用来将某些分子靶向特定的相²⁶即使在缺乏高亲和力结合相互作用的情况下。此外，冷凝液中的成分可以自由扩散，为调节生化反应速率提供了理想条件，同时在空间上对其进行限制。

既然细胞可以通过相分离形成隔间，为什么细胞需要细胞膜呢？膜结合隔间可以提供长期稳定性，这可能很难与冷凝液保持，因为冷凝液的局部环境因基因表达、分子周转等的波动而不断变化。例如，正在进行的稳态反应需要与细胞质长时间分离。除了长期储存外，细胞毒性反应需要在结构上保持分离，以保护周围细胞质或核质的完整性。最后，非常小的分子，例如离子，将很难保留在冷凝液中。例如，如果没有膜，pH梯度就无法稳定维持。因此，这两种组织细胞的方式——膜或相分离——是互补的，可以最大限度地组织细胞内容物。

凝析油研究中仍存在许多重要问题。最重要的是，我们不了解在大多数情况下，将分子组织成这样的结构会产生什么样的生物化学或细胞功能。在许多情况下，我们可以从冷凝组分的集合中推断出功能，但我们不了解这些组分的活动是如何由于处于结构中而不是更均匀地分布在单元中而发生变化的。在检查时，冷凝液破坏导致的表型相对较细微，结构似乎对细胞或生物体的生存能力并不重要^111–114然而，它们在进化过程中是保守的，这表明它们确实发挥着重要的功能作用，可能是对特定刺激或压力的反应。

我们也不了解组分分子的微观性质和凝析物的宏观性质之间的关系。此外，尚不清楚后者与生化和细胞功能的关系，也不知道细胞是否将这些特性调节为功能效应。

尽管在低分辨率下，许多冷凝液看起来是均匀的，如上所述，但电子显微镜和超分辨率光学显微镜都表明许多冷凝液在多个尺度上都含有内部组织^51,91–93该组织是否出现在其他凝析油中，通常是如何出现的？它是动态控制的吗？它在功能上重要吗？

控制给定凝析油组成的所有因素是什么？我们已经讨论了直接结合相互作用和静电效应的重要性，但是否还有其他考虑因素，也许与活性过程有关？我们需要了解凝结物（甚至简化的相分离液滴）的哪些信息才能定量预测其他分子如何分配到其中？如何对成分进行微调，以使不同的冷凝液能够在具有共享成分但功能不同的单元中共存？是否有基于序列或结构的代码将IDR招募到相分离液滴中？

冷凝液是通过相分离和多价组装产生的，这一观点是否对疾病有影响，这能带来新的临床机会？现有数据表明，凝析油可能位于材料和组成状态的连续统中。此外，这种自然光谱中的畸变，其中一些可能涉及纤维形成的失调，与神经退化有关。这些畸变如何影响细胞生理学？这可能只是对冷凝液的机械理解可能具有医学意义的众多实例之一。

最后，通过相分离还可以组织哪些其他细胞结构？原则上，由多价实体之间的相互作用组成的任何系统在适当的溶剂条件下都应有相分离的倾向。染色质生物学是细胞生物学中一个有趣的领域，它富含多价相互作用。染色质可以被认为是在其组蛋白上修饰有特定标记的核小体的长阵列。这些标记由特定的模块结构域读取，这些模块结构域也经常出现在染色质结合蛋白的多价阵列中。因此，修饰核小体和组蛋白尾部读取器可能会相分离，这一过程可能会影响染色质组织和功能的各个方面，这似乎是合理的。

解决这些问题可能需要新技术和新概念方法，利用从遗传学、生物化学到物理学等学科。他们的答案有望解释纳米级分子如何产生微米级的细胞组织以及这种组织在生物学中的功能。

补充材料

致谢

作者传记

脚注

参考文献