弱相互作用的强大力量，相分离为何能赢得今年的拉斯克奖？

导读

2025年，拉斯克基础医学研究奖授予两位科学家：马克斯・普朗克多学科科学研究所的德克・戈里希（Dirk Görlich）与德克萨斯大学西南医学中心的史蒂文・L・麦克奈特（Steven L. McKnight），以表彰他们在揭示蛋白质序列中低复杂度结构域（LCDs）的结构与功能方面所取得的发现。

凭借大胆的想象力与精巧的实验设计，两位学者成功揭示了细胞内运输与细胞组织的新原理。

伊夫林・施特劳斯 | 撰文

潘展 | 翻译

通常，教科书聚焦于蛋白质的结构复杂性与化学精密性，正是这些独特的三维结构使这些分子能够执行特定的生理功能。蛋白质的多样性源于其氨基酸的排列顺序，每种氨基酸都会赋予蛋白质独特的属性。

传统认为，LCDs仅由20 种氨基酸中的少数几种构成且结构松散，因此被认为几乎无法承担重要的生理任务。

然而，真核生物中约15%-20%的蛋白质都含有这类结构域，而戈里希与麦克奈特的研究证实，这些无序的LCDs能在细胞内聚集，为多种生理活动提供支持。

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破解核运输悖论

真核细胞内存在众多膜包裹的区室，这些区室汇集了执行不同的生理功能。细胞核便是常规细胞器之一，其周围的核膜将核内物质与细胞质分隔开来。分子需通过一套高度选择性的运输系统在两个腔室之间往返，该系统依赖核孔复合体发挥作用。这些由蛋白质构成的通道贯穿核膜，形成核质交换的通路。

21世纪初，核输入过程的关键特征已逐渐明晰，小分子可自主通过核孔，大分子跨核运输必须依赖转运蛋白。戈里希在从事博士后研究期间，发现了其中一种转运蛋白，这是首个被证实能协助蛋白质从细胞质穿过核孔进入细胞核的因子。

目前已知，转运蛋白还会与填充在核孔中央通道内的蛋白质发生相互作用。这类蛋白质被称为核孔蛋白，其分子中含有密布着由苯丙氨酸（F）和甘氨酸（G）组成的二氨基酸基序的复杂度较低的区域。此外，这些被称为“FG 重复序列” 的LCDs无论转运蛋白是否携带“货物”（即待运输分子）都能促进其跨核移位，但当时这一过程的具体机制仍不明确。

这些发现引发了一系列难题：转运蛋白与货物结合形成的复合体比货物本身更大，但这种结合反而会加速货物进入细胞核；而且从常理来看，转运蛋白与任何物质（此处指核孔蛋白）结合都应延缓运输进程而非加快速度。

2001年，戈里希利用荧光标记的转运蛋白及其货物蛋白对分子从细胞质向细胞核的流入过程进行了测量。研究结果显示，核孔复合体转运空载或满载转运蛋白的能力与速度远超此前预期。戈里希对这种高效转运能力感到惊叹，但同时也困惑于两个问题：一是为何大多数分子的进入会受到限制；二是转运蛋白如何突破这一限制。

他提出了一个模型：核孔蛋白的LCDs由于含有大量苯丙氨酸其本质上具有疏水性，会通过相互结合减少与水的接触。大分子只需克服排斥力就能穿过这层疏水壁。。

戈里希进一步提出，转运蛋白会与核孔蛋白的LCDs结合，进而与LCDs内部重复序列间的相互作用形成竞争；在此过程中，LCDs中的氨基酸会彼此分离，转而与转运蛋白结合。通过这种方式，转运蛋白能融入由LCDs构成的网状结构，该网状结构会围绕迁移的转运蛋白闭合，即便通道内存在大分子，仍能对其他大分子形成阻碍。当转运蛋白通过核孔时，其后方的疏水键会重新形成。这种选择性溶剂化机制既解释了转运蛋白为何能被高效运输，也阐明了为何无法与核孔蛋白筛网结合的分子会被阻挡在外。

由此可见，核孔的通透性与屏障作用存在内在关联。戈里希随即着手验证这一具有前瞻性的机制。

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假说逐渐被证实

次年，戈里希发表研究指出转运蛋白具有异常高的疏水性，且破坏核孔的疏水性会使其处于开放状态。这些研究进展证实了疏水性在分选过程中的作用，但并未直接证明他所假设的核孔内存在特定物质。

于是，他提取出一种已知核孔蛋白的LCDs，随后在特定条件下一件既意外又令人振奋的事情发生了——该结构域凝固形成了一种半透明凝胶，这与他此前预测的物质形态完全一致。随后他通过基因工程技术将该结构域中的每个苯丙氨酸都替换为非疏水性的丝氨酸，结果发现改造后的蛋白质始终保持液态。这一现象表明，疏水性是凝胶形成的关键因素。

这种凝胶模拟了核孔的识别功能，它会排斥无法自主通过核孔的测试蛋白，却允许多种转运蛋白穿透并在其中扩散。若未与转运蛋白结合，大分子货物蛋白几乎会完全被阻挡在凝胶外。

2006年至2007年发表的这些研究结果令人震惊，但仍有疑问待解。其中最关键的一点是，尚无研究证实完整核孔复合体中的分子转运依赖于含LCDs核孔蛋白之间的结合作用，而这正是戈里希模型的核心要素。他希望在真实核孔复合体的环境中验证自己的观点。

戈里希利用蛙卵提取物重组出核孔，并在2012年证实了核孔的通透性屏障依赖于富含苯丙氨酸的重复序列之间的疏水相互作用。这些实验不仅为他的假说提供了有力支持，还排除了当时其他主流理论的可能性。

从无序到有序

三年后戈里希发表研究称，在动物、植物、真菌和原生生物等多种生物中均存在的一种核孔蛋白其LCDs能自发组装成致密颗粒，而这些颗粒可为转运蛋白及其货物提供通行通道。这些细胞内临时形成的、形似液滴的悬浮核孔结构发挥着重要作用。

2021年，戈里希发表了一篇说服力强的论文，为其核孔研究画上了圆满句号。他在该研究中证实，一种仅含FG重复序列的简单合成蛋白便能重现选择性核输入过程。他指出屏障的本质是用一段含有12个氨基酸的LCDs序列重复52次，便呈现出了该屏障最关键的特性。

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低复杂度，高影响力

麦克奈特的研究方向是基因调控，而非核孔，但他关注到了戈里希关于核孔蛋白异常凝胶化的论文。一次偶然的发现，让他找到了具有相似自组装特性的物质。当时，他正在寻找一种能刺激胚胎干细胞分化为心肌细胞的化学物质的分子伴侣，于是他与合作者加藤雅人（Masato Kato）将这种异噁唑类化合物的衍生物与破碎的细胞混合，结果数百种蛋白质都与该衍生物结合。初看这一结果似乎是灾难性的，因为该化学物质似乎在非特异性地结合蛋白质。但麦克奈特注意到，这些被捕获的分子中，有许多是存在于RNA颗粒中的RNA结合蛋白。

这些RNA结合蛋白有一个显著的共同特征，即每种蛋白都含有一个序列复杂度较低的结构域。与核孔蛋白类似，这些结构域仅由20种氨基酸中的少数几种构成（不过具体氨基酸种类有所不同）。数十年前，麦克奈特就曾研究过LCDs——因为这类结构域在许多蛋白质中都赋予了蛋白质激活基因的能力。但一直以来他始终未能阐明当这些松散、无序的结构域从细胞中提取出来后其具体功能究竟是什么。而如今，他竟意外地再次聚焦于LCDs。

为验证LCDs是否是RNA结合蛋白与异噁唑类化合物结合的关键，麦克奈特与加藤雅人从多种RNA结合蛋白中移除了这段氨基酸序列，或把这段移除的序列添加到一种通常不会与该化合物结合的测试分子上。实验结果表明，LCDs既是二者结合的必要条件也是充分条件。在进行这些实验的过程中他们发现，一种含LCDs的FUS蛋白会像戈里希研究的核孔蛋白一样形成凝胶。进一步研究证实LCDs同样是FUS蛋白具备这一特性的关键。麦克奈特于2012年发表了这些研究成果。

麦克奈特的研究立即产生了深远影响，因为它精准解释了无膜富RNA 细胞器的形成基础——这类细胞器形似液滴。此前，克利福德・布兰温（Clifford Brangwynne）、安东尼・海曼（Anthony Hyman）（二人均任职于德累斯顿马克斯・普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所）与弗兰克・尤利希（Frank Jülicher，任职于德累斯顿马克斯・普朗克复杂系统物理研究所）已观察到这类细胞器的存在。在 2009年一篇具有重要意义的论文中，他们证实戈里希提出的相分离原理适用于一种名为P体的无膜富含RNA细胞器，且这种细胞器能快速溶解与凝聚。这些研究者推测，其他具有自组装能力的细胞结构也依赖类似过程，但并未阐明这一过程背后的分子机制。

麦克奈特通过电子显微镜观察发现，由LCDs构成的凝胶中存在细长且均匀的纤维；X射线衍射结果则显示这些纤维具有交叉β结构的典型特征，这种结构常见于阿尔茨海默病等疾病中出现的致病性淀粉样纤维。在这种结构中，蛋白质链通过主链间的氢键堆叠排列。但与传统淀粉样纤维具有极强的稳定性不同，FUS蛋白形成的聚集体会在去污剂作用下解体。

与此同时，麦克奈特注意到上述异噁唑衍生物会形成晶体，其表面有一系列凹槽，这些凹槽上氢供体与氢受体的分布模式极具特点，能完美适配展开的蛋白质链。他在 2012年发表的论文中提出，细胞内的LCDs正是通过类似的构象相互作用聚集形成 RNA 颗粒。在他看来，LCDs在形成RNA颗粒时的相互作用虽不如形成凝胶时那样广泛、持久，但二者的化学基础是相同的。这种可逆的聚集过程能让功能性细胞结构在需要时组装，然后在完成功能后解体（见图 B 部分）。

要使这一设想成立，麦克奈特需要证实LCDs间的相互作用具有生物学相关性。为此，他通过化学修饰暴露区域的方法，分别在凝胶中和哺乳动物细胞的细胞核内，对一种RNA结合蛋白——hnRNPA2的LCDs进行了研究。2015年，他发表研究称：该结构域在凝胶、细胞核及液滴中呈现出相似的构象。

为明确其原子层面的细节，麦克奈特与美国国立卫生研究院（NIH）生物物理学家罗伯特・泰科（Robert Tycko）展开合作。固态核磁共振光谱分析显示，FUS蛋白的LCDs内部存在一个交叉β结构核心。

越来越多的证据表明，在健康活细胞中，LCDs正是通过上述相互作用结合，进而执行关键的生理功能，如2021年麦克奈特与泰科发现，细胞骨架成分中间纤维中的LCDs在正常组装状态下也呈现出这种交叉β结构。

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弱相互作用的强大力量

2022年，麦克奈特通过一种创新实验方法，直接验证了蛋白质主链间的氢键（交叉β结构的核心特征）是否参与LCDs的组装过程。调控这类氢键并非易事，因为传统基因工程方法只能改变氨基酸侧链而无法作用于主链。为此，麦克奈特通过化学手段封闭主链中的氮原子以阻断氢键形成，随后检测该操作是否会影响LCDs的聚集能力。实验中，他重点研究了LCDs中一个对相分离至关重要的区域。

这些实验及其他相关研究，精准定位了主链氢键促进相分离的作用位点，不仅明确了氢键在该过程中的核心参与地位，也进一步证实了细胞内LCDs的相互作用依赖交叉β连接这一观点。此外，单个氢键即可产生可测量效应的发现证实了LCDs的自组装过程处于一种临界状态，微小变化就能使其向聚集或解离方向倾斜。捕捉这些短暂的交叉β相互作用极具挑战性，而麦克奈特采用的正是此类严谨的实验方法。

值得注意的是，脯氨酸因其主链氮原子不具备形成氢键所需的氢原子而无法参与氢键形成。麦克奈特推测，脯氨酸或许能中断交叉 β 氢键的连续形成从而防止蛋白质发生毒性聚集。他猜想LCDs中用其他氨基酸替代脯氨酸的致病性突变或许能为这一观点提供佐证。

为验证这一可能性他重点研究了一类点突变，神经丝轻链蛋白NFL、tau蛋白、hnRNPA2蛋白这三种不同蛋白中的这类突变都是编码基因中用其他氨基酸代替了脯氨酸，并分别导致三种疾病：遗传性神经疾病夏科-马里-图思病、额颞叶痴呆以及佩吉特病。实验显示，携带致病突变的肽段会发生聚集；而当阻断突变氨基酸主链的氢键形成能力后，肽段的正常行为得以恢复。这些研究结果表明，突变通过稳定原本可逆的交叉β连接最终引发了这些疾病。

LCDs蛋白间固有的弱相互作用，为基础生物学带来了深远影响，因为许多生理过程需要灵活切换，需要在特定条件下启动又在环境改变时终止。短暂的相互作用恰好为这类调控提供了基础，使生理过程可在外界信号引导下向特定方向转变。尽管验证这些转瞬即逝的分子事件面临巨大挑战，但LCDs的作用机制图景仍逐步变得清晰。

麦克奈特与戈里希的研究证实了蛋白质组中相当一部分——即15%-20%含LCDs的蛋白质，能帮助细胞构建灵活、可逆的结构，这些结构超越了传统膜包裹细胞器的局限，为细胞功能的组织与调控提供了全新的方式。他们的研究彻底改变了我们对生物学基本问题的认知。

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

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