综述：生物分子凝聚体的调控原理、生理功能与相变

《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：The regulatory principles, physiological functions, and phase transition of biomolecular condensates

本综述系统整合了生物分子凝聚体（Biomolecular Condensates）形成与功能的多尺度调控框架，重点阐述了理化参数（温度、pH、离子强度）、翻译后修饰（PTMs，如磷酸化、乙酰化）与分子序列特征如何协同调控液-液相分离（LLPS），并深入探讨了其生理功能（如转录调控、RNA代谢）及病理转变（如神经退行性疾病中液态-固态转化）的分子机制，为靶向相变异常相关疾病（如癌症、神经退行性疾病）的治疗策略提供了新视角。

　　

生物分子凝聚体的调控原理、生理功能与相变

1 引言

液-液相分离（LLPS）已成为解释细胞内无膜细胞器动态组装的核心物理化学概念。它通过形成具有特定组成和独特反应动力学的微环境，实现对生化反应的精确时空调控，从而参与mRNA代谢、基因转录、应激信号传导和蛋白质质量控制等关键细胞过程。然而，当前对LLPS调控机制的认识仍较为碎片化。本综述旨在通过Flory-Huggins模型等物理原理，系统整合调控LLPS的多尺度因素（包括环境条件、翻译后修饰和分子序列特征），并深入探讨其生理功能及与疾病相关的相变过程。

2 生物分子凝聚体的核心决定因素

2.1 LLPS的热力学基础与理化调控

相分离通过将体系分离为稀相和密相来降低系统自由能，其热力学行为可由Flory-Huggins理论中的χ参数描述。关键细胞环境因素（如浓度、温度、pH和离子强度）通过调节χ参数，精确调控相分离的发生。

2.1.1 浓度

临界饱和浓度（C_sat）是决定相分离发生的核心阈值。当总浓度超过C_sat时，多价相互作用驱动快速相分离；低于该阈值则体系保持均一。研究表明，C_sat可由分子序列信息编码，并通过疏水性等参数进行理性设计，实现体内外凝聚体形成的预测性调控。

2.1.2 温度

温度通过熵-焓平衡调控相行为：高温促进LCST型相分离（由疏水作用主导），低温则利于UCST型相分离（由氢键等焓驱动作用主导）。例如，热休克因子1（HSF1）在热应激下形成的核凝聚体即表现出LCST型温度敏感性。

2.1.3 pH

pH通过调节可电离氨基酸残基的质子化状态，改变分子净电荷和构象动力学，从而调控LLPS。组氨酸残基因其pKa接近生理pH，可作为分子开关精细调节C_sat。有趣的是，相分离凝聚体（如核仁）也可主动建立局部pH梯度，形成反馈调节回路。

2.1.4 离子

离子通过Hofmeister序列效应调控LLPS：低盐浓度时静电和疏水作用共同驱动相分离；中浓度时静电屏蔽导致溶解；高浓度时疏水作用主导重入相分离。特定离子（如Mg²⁺、Zn²⁺）还可通过结合组氨酸等残基，作为交联剂特异性稳定或解离凝聚体。

2.2 驱动LLPS的结构与序列特征

2.2.1 多价性驱动的LLPS

多价相互作用模块（如SH3、PDZ结构域）或短线性基序（SLiMs）通过形成跨越系统的相互作用网络驱动相分离。支架-客户模型指出，多价支架蛋白自关联形成凝聚体核心，客户分子则通过空闲的结合位点被招募。

2.2.2 内在无序区（IDR）调控的LLPS

IDR遵循"贴纸-间隔物"理论：贴纸基序介导多价弱相互作用，间隔区提供构象熵以维持液体动力学。例如，FUS蛋白通过其N端SYGQ低复杂度区域、中心RRM/锌指结构域和C端RGG重复序列的协同作用促进凝聚。IDR的模块化和可调性为靶向相变相关病理提供了新思路。

2.3 PTMs通过调控价数和亲和力调节LLPS

2.3.1 磷酸化

磷酸化通过引入负电荷双向调控LLPS：适度磷酸化可增强静电吸引促进凝聚，而过量磷酸化则可能增加排斥或破坏关键界面抑制相分离。其效应具有位点和上下文依赖性。

2.3.2 乙酰化

乙酰化通常通过中和赖氨酸电荷抑制LLPS，但也可通过稳定关键支架蛋白促进凝聚体组装。例如，tau蛋白K311位点乙酰化促进LLPS，而K369位点乙酰化则起抑制作用。

2.3.3 甲基化

精氨酸低甲基化可增强Arg-Tyr阳离子-π相互作用，驱动异常凝胶化；而FUS的不对称二甲基化虽削弱同型LLPS，却为SMN Tudor结构域提供结合位点，建立功能性异型凝聚体。

2.3.4 泛素化

泛素链类型编码特异性功能：K48连接链引导降解凝聚体组装，K63连接链则驱动自噬凝聚体形成。单泛素化或短链可能饱和结合域而溶解预形成的液滴。

2.4 RNA和分子拥挤在LLPS中的调控作用

RNA呈现浓度依赖性双相效应：低浓度时作为分子桥促进相分离，高浓度时竞争结合界面抑制相分离。RNA序列和结构特异性也参与调控，如增强子RNA可精确招募蛋白组装功能特异性凝聚体。

2.5 凝聚体作为细胞组织的功能模块

2.5.1 DNA相关功能

LLPS通过形成修复枢纽稳定基因组，并在转录调控中发挥双向开关作用：激活性凝聚体富集转录机器促进基因表达，抑制性凝聚体则通过染色质压缩实现基因沉默。

2.5.2 RNA相关相分离

核仁、核斑点和应激颗粒等无膜细胞器是LLPS的典型代表。它们通过多价弱相互作用可逆组装，耦合转录、剪接和翻译调控等过程，并响应应激进行动态重排。

2.5.3 蛋白相关LLPS

在信号转导中，凝聚体通过富集反应物放大信号输出；在细胞骨架调控中，相分离统一力生成元件空间组织；在蛋白质稳态中，p62等通过泛素驱动相分离启动选择性自噬，蛋白酶体可形成可逆核凝聚体应对应激。

2.5.4 从液态到固态：生理谱系与病理转变

生物分子凝聚体在短时间尺度表现弹性，长时间尺度以粘性流动为主。老化过程涉及时间依赖性的内部网络重塑，导致松弛时间延长和动力学减慢。在病理条件下，LLPS可作为异常聚集平台，通过两阈值模型加速纤维化：低浓度触发液-液相分离，高浓度驱动液-固转变。小分子可通过调节凝聚体内环境干预相变过程，基于此发展的凝聚体修饰疗法为治疗相变相关疾病提供了新策略。未来研究需结合多学科手段，解决相变动态探测、调控机制解析和治疗特异性等挑战。