《Nature》普林斯顿大学：不可思议！细胞内竟存在毛细作用力

细胞内环境是一个复杂而拥挤的生物分子海洋，受到来自布朗热波动和生物活动的不断运动的冲击。细胞功能是通过给这个环境带来秩序来实现的，在很大程度上是通过细分为一个空间控制和组成定义的隔室。历史上，这些隔间被认为几乎完全是膜结合的结构，但最近的工作强调了无膜细胞器的重要性，也被称为生物分子凝聚体，它通过相变形成，包括液-液相分离。液-液相分离和相关的相变已成为活细胞中形成无膜隔室或生物分子凝聚体的通用机制。两不混相之间的表面具有界面张力，产生毛细管力，对周围环境做功。

为此，来自美国新泽西州普林斯顿大学的Clifford P . Brangwynne团队提出了毛细作用的物理原理，包括毛细作用力如何构造多相凝聚物和重塑生物基质的例子。与产生细胞内力的其他机制一样，例如分子马达，毛细作用力可以影响生物过程。相关论文“Capillary forces generated by biomolecular condensates”于2022年9月7日发表于杂志Nature上。

1.毛细作用的基本原理

为了理解力生成界面是如何形成的，作者首先考虑相分离的最简单的平衡热力学模型。Flory-Huggins模型提供了聚合物-溶剂体系中混合 f的自由能的平均场表达式。首先，聚合物的连接性限制了其允许的构型，从而以一种随聚合物长度变化的方式降低了熵。其次，通过χ参数捕获能量相互作用，它代表了两个组分在多大程度上倾向于同型相互作用，例如聚合物-聚合物和溶剂-溶剂相互作用，而不是异型相互作用，例如聚合物-溶剂相互作用。χ的值越大，相分离的驱动力就越强（图1a）。

图1 相分离原理

一旦发生相分离并产生新的表面，就会产生相关的界面张力。在凝聚体内部，每个分子与相邻的n个分子平均共享一个内聚能u = nε/2（图2a），其中 ϵ 是分子相互作用的典型能量标度。然而，界面上的分子失去了大约一半的这些相互作用，故Δu = nε/4。因此，分子在能量上更倾向于凝聚体的主体，尽管一些必然存在于界面上。表面分子失去的这些力是界面张力γ的来源，它代表了单位界面面积的能量惩罚。故γ== nε/4a2。方程表明，界面张力随吸引能的增大而增大，随分子尺寸的平方而减小。增加界面的表面积 A需要消耗自由能，即 F=γ A，因此凝聚体通过最小化表面积来降低这种自由能。从力学角度看，界面上的张力对应力状态有深远的影响。特别地，对于半径为R的静态球形液滴，凝聚体单位面积的力为Δp = 2γ/R，这被称为毛细压力（图2b）。直观地看，小水滴具有更高的曲率，其处于比周围流体更大的压力状态。在相分离液滴的样品中，界面张力不断地起作用，使凝聚体的总表面积最小，形成较少数量的较大液滴。通常通过两种机制发生：液滴合并和Ostwald熟化(图1c)。凝聚体和周围之间的应力差、流变特性也会影响粗化动力学。此外，如果刚度在空间上变化，凝聚体很可能溶解在高刚度区域，并在低刚度区域重新形成。

图2 毛细作用的基本原理

2.细胞内液体界面的毛细作用力

如上所述，毛细力是由界面驱动的，包括凝聚体和另一种不相溶的液体或固体之间的界面。在这种“润湿”现象中，有三种界面张力起作用:(1)凝聚体γ，(2)凝聚体-基质体γSC，和(3)基质体γSB。由于界面的最高张力付出最大的能量损失，因此其面积是最小的。例如，如果凝聚体润湿基质体相关的界面能γ+γSC低于基质体γSB的界面能，则后者界面被消除，凝聚体完全覆盖基质体（图2c）。然而，凝聚体可以部分湿润基质体，形成由接触角θ定义的近似球形的盖子，该盖子满足接触线上的切向力平衡（图2c）。

细胞内“润湿”现象最著名的例子是生物分子凝聚物润湿其他凝聚物，如核仁、应激颗粒和核斑点（图3）。根据体外数据和在活细胞中进行的实验，多相凝聚体的结构似乎反映了它们的分区功能。例如，转录和剪接被认为发生在核斑点的“壳”区域，而“核”对RNA成熟很重要。

这种核壳结构的最明显的例子是核仁的多层（图3c），它显示了三个明显的无膜性液体状亚室。每个小室之间不同的界面张力被认为决定了三个不相容相的组织方式，最近在模型RNA和多肽系统(图3b)和弹性蛋白样多蛋白中也进行了研究。在核仁中，由此产生的核壳结构使其能够执行对前核糖体颗粒的顺序组装（图3c）重要的特定功能。

此外，在非洲爪蟾蜍胚泡中，可以看到卡哈尔体润湿核内小核糖核蛋白体（图3d）。在其他系统中，卡哈尔体与核仁相互作用，如大鼠三叉神经节神经元中系于核仁表面的卡尔哈体。应激颗粒和P体是两种与细胞质mRNA转录物的翻译调节有关的凝聚体，它们是在细胞应激(如亚砷酸钠处理后的氧化应激)下由多聚体释放的。尽管在成分上与许多共享的成分相关，但它们彼此之间是不同的和不可混溶的，即使在物理上保持并列（图3e）。最近使用U2OS细胞培养模型的研究发现，这种多相共存依赖于关键应力颗粒和P体组分的化学计量学，尽管这种不混溶的生物物理决定因素和相对界面张力的作用尚不清楚。在所有这些情况下，

液-液界面可能允许两者之间的物质交换。

图3 多相凝聚体组织中的毛细作用实例

为了定量地理解这些表面现象，需要直接测量界面张力。估计生物分子凝聚物的界面张力值在γ 10 4到10 7 N m 1。这些界面张力远小于γ 10 1 N m 1的空气-水界面张力，这是界面张力随大分子尺寸成反比的直接结果。然而，其他大分子液体，如胶体体系，具有相对较小的界面张力，但仍可在纳米尺度上引起显著的毛细应力。

3.软界面处的毛细作用力

蛋白质和核酸成分的生物分子序列会调节凝聚体驱动的毛细作用力下的界面张力，但我们很少有测量方法或理论框架来阐明这种联系。如凝聚体和细胞骨架丝之间的相互作用，特别是当细胞骨架成分如肌动蛋白丝、微管和中间丝影响凝聚体的组装(或拆卸)、变形和重组时，反之亦然（图4a）。凝聚体中的细胞骨架细丝可能会引起液晶内部各向异性。例如，在交联剂细丝的存在下，肌动蛋白的浓缩溶液被发现形成类突状缩合物。在某些条件下，由于界面Rayleigh-Platform不稳定性，圆柱形的肌动蛋白束形成，随后分裂成一系列的类晶团状体（图4b）。微管是另一个关键的细胞骨架丝，代表了细胞内最坚硬的生物聚合物，具有重要的结构作用，包括构建细胞分裂的有丝分裂主轴。一些微管结合蛋白可以形成微管相关的凝聚物，包括BuGZ、TPX2、tau和CLIP170。在TPX2和CLIP170的情况下，一个均匀的凝聚物薄膜完全润湿了微管，但发生了Rayleigh-Platform不稳定性，将薄膜分解成有规律间隔的液滴（图4c）。蛋白质tau上也发现了类似的“润湿”现象，它形成了一种富含微管蛋白的凝结物，将微管捆绑在一起。通过加入分子肝素来破坏tau -微管蛋白的相互作用，观察到凝结的tau蛋白从这些束中脱湿（图4d）。

膜是凝聚体可以施加毛细力的另一个表面，润湿现象也很明显。膜弯曲和曲率是许多细胞结构和过程的中心，如胞质分裂，胞吞作用和丝状足。液体凝聚体可以施加弹性毛细应力，自发地将膜表面变形为一系列形状，如芽和小管（图4e）。在膜上形成的内吞凝聚体，但更多地湿润到细胞质：膜内陷到凝聚物中，使凝聚物膨胀并最大限度地接触细胞质，最终导致膜的内吞作用。在植物中，蛋白质储存液泡的生成与富含储存蛋白质的相分离液滴如何润湿和变形液泡膜，最终导致芽（图4f）或纳米管，这取决于液体对膜的润湿性和膜的弹性特性。

图4 基质上的毛细作用

4.毛细作用力和基因组结构

凝聚物毛细作用是在基因组的背景下发现的，其中染色质引入了一个灵活的和部分交联的DNA细丝网络，凝聚物可以在体内、在其上和周围形成。含有内在无序区域的转录因子与超增强子样基因组结构域之间的界面相互作用可以介导远距离环来增强转录。最近研究表明，转录因子KLF4润湿DNA，沿着DNA丝形成局部凝聚，其大小由DNA -蛋白质相互作用决定。即使KLF4的整体浓度低于饱和浓度，DNA上也会形成凝聚物。通过凝聚DNA，转录因子可以施加毛细管力，帮助重塑DNA。凝结的FoxA1界面所产生的毛细力足以将分离的DNA链拉在一起（图5a），并将它们卷成FoxA1 - DNA的“共凝聚物”，可联想到在液滴中毛细管诱导的蜘蛛丝线的缠绕（图5b）。在异染色质蛋白1α (HP1α)介导的紧缩DNA也观察到类似的DNA滑向液滴的行为，该紧缩DNA位于DNA分子的中心，两端系于聚苯乙烯珠（图5c）。重复的拉伸和放松DNA的循环导致更多的DNA被拉入HP1α凝聚物（图5c）。总之，这种类型的DNA介导的表面凝聚可以产生调节和重塑体内染色质所需的毛细作用力。

探索细胞内表面物理和基因组组织之间相互作用的新工具具有深远的潜力，包括以特定基因组位点为目标并定位易于相分离的蛋白质的方法。在这种方法中，在特定基因组位点诱导形成的凝聚通过界面张力介导的凝聚将这些位点拉到一起（图5d，e）。最近研究使用毛作用力将本来相对静止的端粒拉在一起，导致它们合并（图5e）。这种工程凝聚物通常倾向于排除与核仁和其他内源性核凝聚物相似的非靶向染色质（图5e），这表明凝聚物的默认条件是染色质润湿。尽管最近的大多数研究都集中在基因激活背景下的凝析液润湿行为，但毛细管力在异染色质的组织中也可能是重要的，异染色质是基因组中染色质密集和转录不活跃的区域，可能部分通过液-液相分离组织。一个例子是夜行哺乳动物的“倒转”核棒，异染色质位于核的中心，而不是常规核中，通常位于核外围（图5f），这可能反映了通过染色质亚区隔化产生的有效相对界面张力。

图5 毛细作用力和基因组结构

5.调节细胞内毛细作用的表面活性剂

传统的非生物系统中，表面活性剂是两亲分子，具有疏水和亲水性，使它们能够粘附在表面上，降低液-液或液-固界面的界面张力。细胞中天然表面活性物质的一个例子是增殖标记蛋白Ki-67，它在有丝分裂染色体外围形成一种带电的聚合物刷。蛋白质的短C末端与染色体结合，而带正电荷的N末端结构域在有丝分裂期间伸入细胞质，排斥其他染色体（图6a）。在间期，Ki-67定位于核仁，它和其他核仁蛋白在核仁周边富集，可能作为核仁表面活性剂。另一个例子是NO145蛋白，它定位于X. laevis核仁的外表面，形成一个薄层（图6b）。

一些研究将两亲性归因于控制和稳定生物分子凝聚物的界面张力和大小。例如，表面活性物质类蛋白质被设计成将LAF-1的RGG结构域融合到非相分离结构域。通过调整RGG-RGG和两亲性蛋白的化学计量和浓度，两亲性蛋白(1)在凝聚物的外围形成表面活性剂层，(2)部分润湿RGG-RGG液滴，在凝聚物表面形成不同的液滴，或者(3)完全包围核心液滴，形成多相结构（图6c）。

吸附在界面上的固体颗粒也会影响界面的力学和形貌。这种来自传统软物质的Pickering乳液的例子包括变形气泡，由表面紧密填充的颗粒稳定（图6d）和半渗透胶体。这种pickering类型的行为反映了一个有趣的物理结果:只要一个粒子部分润湿了一个液滴，那么它在能量上总是有利于跨越液滴表面（图2f）。最近研究表明，线虫的一种RNA结合蛋白MEG-3是一种Pickering试剂，它在体内和体外（图6e）中吸附在P体界面上。

图6 表面活性剂

综上，在本文中，作者讨论了毛细作用在各种细胞内过程中的重要性，包括核糖体产生、内吞作用和基因组结构等（图3-6）。在这些例子中，生物分子凝聚物的表面起着主导作用，我们通过毛细作用物理的角度解释了这一点（图2），提供了强有力的证据，证明毛细作用力在活细胞中普遍存在，并且对细胞的形态、结构和功能很重要。未来工作的一个领域涉及在纳米尺度上表现出来的凝聚物，可能需要修改宏观毛细作用的框架。因此，毛细作用力代表了细胞内力产生的一个令人兴奋的新前沿，类似于分子马达的活动，同样可以用于胞内功能细实现和结构组织。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05138-6

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