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细胞内，许多生物分子通过相分离产生凝聚物（Condensates）。这表明，可能有一个共同的物理原理控制生物分子凝聚物的形成。2020年1月31日，Rohit V.Pappu等人在Annual Review of Biophysics发表了题为“Physical principles underlying the complex biology of intracellular phase transitions”的综述，在这篇综述中，作者利用stickers-and-spacers的物理框架来理解细胞内的多价蛋白质和RNA分子如何驱动相变，从而产生生物分子凝聚物。细胞物质的空间分布决定了关键细胞过程的调控，如细胞分裂、分化、粘附、运动、应激反应和代谢控制等。细胞物质可以通过形成有膜或无膜的细胞器调控空间分布。无膜细胞器即生物分子凝聚物，可以通过自发或驱动的相分离形成。在由液体(如油和水)组成的双组分系统中，相分离（LLPS）是两种相互不混溶的液体形成共存相的分离过程。在溶剂中聚合物可以分离成聚合物富集的dense phase和聚合物稀缺的dilute phase。—Stickers and spacers model—Flory-Huggins理论提供了描述均聚体系的一般框架，缔合聚合物可以用stickers-and-spacers模型来描述。显著参与相互作用的部分被认为是stickers，而在stickers之间散布但不显著推动相互作用的的连接部分被认为是spacers。Stickers之间的非共价相互作用会导致可逆的物理交联。虽然spacers并不直接参与交联，但它们对缔合聚合物的组装有着深远的影响。驱动细胞内相变的多价蛋白和RNA分子实际上是缔合聚合物的生物实例。这些生物分子是具有精确分子量的杂化聚合物，包括结构域和motifs、天然无序区域(IDRs)或两者的某种组合。Stickers-and-spacers模型对stickers的标识和分辨率没有限制，因此，stickers-and-spacers模型为复杂生物系统的定量描述提供了一种直观和高度一般化的方法。多价蛋白和RNA分子既可以是支链聚合物也可以是线性缔合聚合物。因此，将stickers-and-spacers模型应用于生物高分子的一个重要问题是stickers的分子特性。在IDR中，stickers可能是长度为10个氨基酸残基的短线性基序(SLiMs)，在未折叠的RNA分子中，stickers可能是短线性基序，甚至是单个核苷酸。在折叠的蛋白质或RNA 中，stickers是特定结构形成后出现在结构表面的patches，而蛋白质折叠区域表面的非stickers区可以被认为是spacers。在线性多价体系中，stickers可能是折叠的结合域，而spacers则是将结合域连接在一起的柔性无序链。对于有支链的多价蛋白质，无序区让这些蛋白形成一个毛状胶体结构，不是短线性基序的无序区域可以被认为是spacers。图1显示了不同类型的多价蛋白和RNA分子被映射到stickers-and-spacers结构上的示意图。  图1 不同系统的stickers和spacers。(a)对于折叠域，stickers和spacers的映射是通过patchy colloids实现的，stickers是相互作用的patches，spacers是作为stickers表面支架的球形区域。(b)对于线性多价蛋白，stickers是折叠的结合域，而spacers是连接折叠结合域的柔性链。(c)对于天然无序蛋白质，stickers可能是单个残基、短线性基序或两者的某种组合。
“stickers”和“spacers”的识别可以通过计算和实验来完成。根据经验，stickers的缺失应该对相变阈值浓度有较大影响，而spacers的缺失则对相变阈值浓度影响较小。一种有效鉴别“stickers”和“spacers”的方法是使用丙氨酸或甘氨酸扫描和/或饱和诱变对每一个残基进行全诱变，同时测量由每个突变体组成的多组分体系的二元混合物的相变阈值浓度和共存曲线。这将提供每个残基对相变阈值浓度和共存曲线贡献的一个系统评估，那些贡献很大的残基被描绘为stickers，而那些贡献较小的被描绘为spacers。同样的，我们可以对感兴趣的特定残基进行系统突变，利用生物信息学方法对所有可能的氨基酸进行先验识别。——Sticker valences and spacer excluded volumes——Stickers的有效效价（Valence）影响相分离行为。值得注意的是，有效效价（Effective Valence）不同于表观效价（Apparent Valence）。Stickers沿线性序列排列模式影响相分离有效效价。对于数量一定的stickers (表观效价)，序列模式可以增加或减少有效效价(图 2a)。当带相反电荷的残基沿序列线性聚集排列时，有效效价比表观效价要低，但与电荷分布更为均匀的序列相比，sticker–sticker相互作用强度反而大幅增加。序列模式是sticker有效效价的决定因素。Spacers主要通过产生排除体积影响相行为。排除体积(Excluded volume, Vex)，也称为有效溶剂化体积(Effective solvation volume, Ves)，指spacers位点与周围溶剂相互作用的平均作用体积。它受spacers位点之间有效的、溶剂介导的成对相互作用的控制。如果这些相互作用是净吸引的，那么Vex是负的，这意味着spacers位点与周围的溶剂排斥，产生致密的spacers，这些spacers之间的相互作用促进相分离形成。相反，如果有效相互作用是排斥性的，那么Vex是正的，这意味着spacers位点优先与周围溶剂相互作用，从而产生构象扩张的spacers，spacers与溶剂的优先相互作用将抑制驱动相分离所需的协同相互作用。如果spacer-溶剂、溶剂-溶剂和spacer–spacer之间的相互作用相互平衡，则Vex≈0，这意味着spacers的更像理想链，可以在相变之间转变 (图2b)。
图2 Sticker 排列模式和spacer 有效溶剂化体积。(a)三种天然无序蛋白质序列，它们具有相同数量的stickers，但是不同的stickers排列模式。随着stickers聚集在一起，有效的stickers价位减少，但是每个单独的sticker相互作用强度反而增加。(b)有效溶剂化体积(也称为排除体积)。正的有效溶剂化体积与伸展的spacer有关，而负的有效溶剂化体积导致塌缩的spacer。零的有效溶剂化体积来自linker–linker 和linker–solvent相互作用的平衡，从而产生理想的spacer。随着我们对生物分子凝聚物的分子驱动因素以及凝聚物对特定生物功能贡献的了解越来越多，细胞相分离领域正在迅速发展。凝聚物似乎在细胞中无处不在，新的细胞功能被归因于新发现的凝聚物。在这篇综述中，作者聚焦于一个特定的物理框架，即stickers-and-spacers模型，该模型改编自缔合聚合物领域，用于描述构成凝聚物结构基础的分子语法、序列编码驱动力以及驱动凝聚物形成的多价蛋白和RNA分子演化。作者将stickers-and-spacers框架映射到生物大分子上，用于理解生物分子冷凝物调控，并讨论了stickers价态和spacers有效溶剂化体积对凝聚物形成的影响。J.-M.Choi, A. S. Holehouse, R. V. Pappu, Physical principles underlying the complex biology of intracellular phase transitions, Annual Review of Biophysics, Vol 49, 2020, 107-133.
作者：王妍妍 审稿：李思扬
编辑：卞薇洁 GoDesign ID：Molecular_Design_Lab 
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