研究表明，液-液相分離并不是淀粉樣纖維形成的前兆，淀粉樣纖維是帕金森病的病理特征。相反，蛋白質形成液滴可能有助于溶解聚集的蛋白質。這項研究發表在《先進科學》雜志上，加深了我們對與蛋白質聚集有關的神經退行性疾病的理解，并可能有助于開發新的治療方法。

將醋加入油中并搖勻：油滴形成。液-液相分離的概念在日常生活中已經為人熟知好幾代，但它在細胞中的存在已發展成為生物學中最熱門的話題之一。

15 年前，人們發現蛋白質分子可以凝結成液滴，無需外膜即可從細胞質中分離出來。在蛔蟲胚胎中，蛋白質和 RNA 被發現形成微小的液滴，有助于在早期生長階段管理遺傳物質。

這一發現催生了一種關于細胞的新思維方式。經過進化優化，液-液相分離可能具有高度功能性。這種液滴可以讓細胞劃分分子并調節生化反應。如今，研究人員已經發現了這種可能性，他們發現它們無處不在：在細胞核中幫助組織 DNA，形成應力顆粒以保護和調節 mRNA，在微管末端充當智能分子膠，為細胞分裂定位細胞核。

除了功能意義之外，液滴還與疾病有關。對于以蛋白質聚集體形成為特征的神經退行性疾病，如阿爾茨海默氏癥和帕金森氏癥，人們認為蛋白質液滴是病理性蛋白質聚集的前兆。

這一理論背后的理念是，液滴可以濃縮某些蛋白質，從而將它們推向聚集點。支持這一理論的大量觀察結果表明，某些條件(如鹽濃度或 pH 值)會同時促進蛋白質聚集和凝聚。然而，這兩者之間是否存在聯系，或者究竟是如何聯系的，仍未得到證實。

現在，在對聚集和液-液相分離之間關系進行迄今為止最全面的探索中，保羅謝爾研究所(PSI)領導的研究小組發現，液滴的形成不會引起聚集;相反，它可能起到防止聚集的作用。

五百個條件

研究人員研究了蛋白質 α-突觸核蛋白 (ɑSyn)，它聚集在一起形成淀粉樣蛋白原纖維，最終導致帕金森病患者的細胞死亡。

為了確定聚集和液滴形成之間的真正聯系，研究人員系統地研究了 ɑSyn 蛋白在各種條件下的行為：蛋白質濃度、鹽濃度以及模擬細胞質復雜分子環境的各種濃度擁擠劑的存在。在不同的 pH 值下對每種條件進行了研究。

研究人員總共研究了五百多種不同的情況。對于每種情況，他們跟蹤液滴形成或聚集的進程長達四個月，并使用光學顯微鏡定期拍攝圖像。

為了研究這么多條件，研究人員使用了瑞士光源 SLS 的機器人結晶設備。該技術通常用于為 X 射線晶體學實驗制備蛋白質晶體。

“在大型設施中工作并與光束線科學家一起工作使我們能夠從不同的角度來解決這個問題，”這項研究的第一作者、PSI 博士后研究員 Rebecca Sternke-Hoffmann 解釋道。“有趣的是，晶體學家已經知道蛋白質可以在很長一段時間內形成液滴。這只是他們在尋找完美晶體的過程中觀察到的另一個現象，”領導這項研究的 PSI 科學家 Jinghui Luo 補充道。

為了補充這個宏觀故事，研究人員使用瑞士光源 SLS 的小角度 X 射線散射 (SAXS) 測量并進行模擬以了解微觀圖像。

油加醋和奶加醋是不同的工藝。

細致的實驗表明，產生穩定液滴或蛋白質聚集的條件并不相同。與聚集體始于液滴的傳統理論相反，研究人員表明，在不同的蛋白質、鹽和擁擠條件下，αSyn 中液滴和聚集體的形成是獨立的。

通過長期的研究，研究人員可以發現液滴是否真的會演變成聚集體。答案是：即使過了 120 天，它們也沒有演變成聚集體。事實上，液滴并沒有促使聚集成纖維，反而似乎產生了相反的效果。在長時間的孵化過程中，之前被認為是不可逆的纖維變成了液滴。

“這一觀察表明，液滴在特定條件下具有防止固體聚集體形成的功能性作用，”羅說。目前對細胞中液-液相分離的理解將其確定為與功能性相關的高度進化的特征，而聚集，特別是在 αSyn 的情況下，與疾病有關。“從這個角度來看，如果蛋白質液滴是蛋白質聚集的前體，那將有些令人驚訝，”他表示。

通過 SAXS 測量以及模擬和序列分析，研究人員可以了解他們觀察到的差異：聚集主要由于單個蛋白質分子尾部之間的相互作用而發生，而液-液相分離則由于不同蛋白質分子之間的相互作用而發生。

將這一發現與油和水的類比聯系起來：將醋加入油中，油會形成液滴。將醋加入牛奶中，蛋白質會形成堅硬的聚集物。雖然醋是這兩種情況下的罪魁禍首，但控制聚集和液滴形成的過程卻截然不同。

對神經退行性疾病的分子新認識

深入了解蛋白質聚集和液-液相分離之間的復雜相互作用不僅對帕金森病有意義，而且對其他以蛋白質聚集為特征的神經退行性疾病也有意義，包括阿爾茨海默病、亨廷頓氏病和克雅氏病。反過來，這可能會帶來新的治療方法。