我們?cè)诖饲暗奈恼轮性敿?xì)介紹了這十年來無膜細(xì)胞器領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r。從2009年第一篇報(bào)道無膜細(xì)胞器流體特性的文章開始，越來越多有關(guān)無膜細(xì)胞器的生物物理學(xué)特性被發(fā)掘出來。同時(shí)也有大量文獻(xiàn)表明，無膜細(xì)胞器的形成與分解和神經(jīng)退行性疾病、腫瘤等存在著密切的聯(lián)系。

       基于無膜細(xì)胞器的種種特性，已經(jīng)有初創(chuàng)公司開始向這一領(lǐng)域布局，各大跨國(guó)藥企也在對(duì)這一領(lǐng)域保持密切關(guān)注。然而在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的同時(shí)，無膜細(xì)胞器復(fù)雜的基礎(chǔ)機(jī)理讓研究人員們難下定論。對(duì)這些復(fù)雜機(jī)理的研究，也需要更多更好的技術(shù)手段。

       初創(chuàng)公司起步，藥企密切關(guān)注

       藥物研發(fā)者們已經(jīng)開始關(guān)注到這一點(diǎn)。Dewpoint Therapeutics于1月份成立，是第一家公開在此領(lǐng)域押注的公司。其他一些初創(chuàng)企業(yè)則尚未公布。大型制藥公司也對(duì)此保持密切關(guān)注。“這是一個(gè)非常有意思的基礎(chǔ)生物學(xué)的領(lǐng)域，我們希望能夠更深入的了解這些結(jié)構(gòu)在疾病中的作用，以及它們將如何切入疾病治療。”默沙東的研究人員Jason Imbriglio這樣說。默沙東近期剛剛協(xié)辦了一場(chǎng)專門針對(duì)無膜細(xì)胞器的紐約科學(xué)院研討會(huì)。

       Dewpoint的CSO Mark Murcko補(bǔ)充說，這一領(lǐng)域潛藏著巨大的機(jī)會(huì)。“當(dāng)我們了解了這些凝聚物如何起效時(shí)，我們可以再去看一下以前那些大家都關(guān)注過卻未能成藥的靶點(diǎn)。我們可以提個(gè)問題，'好吧，既然我們現(xiàn)在有了這種全新的視角，那么是不是可以通過不同的思考方式，讓這個(gè)靶點(diǎn)變得更聽話一些？'“

       有很多未解決的問題還需要研發(fā)者們考慮。如果有潛力的靶點(diǎn)聚集在生物分子凝聚物中會(huì)發(fā)生什么？藥物擴(kuò)散到這些無膜細(xì)胞器中能否正常起效？以及，小分子是否會(huì)對(duì)凝聚物的形成和分解產(chǎn)生預(yù)料之外的危害？

       “這不像宇宙學(xué)那么博大精深，但還是有許多未知因素。”普林斯頓大學(xué)的生物物理工程師Cliff Brangwynne說到。正是他的工作喚起了人們對(duì)液-液相分離和無膜細(xì)胞器的興趣。

       “你不會(huì)想要轉(zhuǎn)身背離這些東西以無視他們，因?yàn)樗芸赡軙?huì)一直在你身后偷悄悄地跟著你。”諾華生物醫(yī)學(xué)研究所的藥物化學(xué)家Derek Lowe補(bǔ)充說。他也正密切關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域。

       在藥物開發(fā)計(jì)劃方面，腫瘤學(xué)有著最直接的應(yīng)用途徑。雖然藥物化學(xué)家可能很難在神經(jīng)退行情況下恢復(fù)凝聚物形成的微妙平衡，但他們可以集中精力于破壞這一系統(tǒng)來殺死癌細(xì)胞。“說實(shí)話作為一名藥物化學(xué)家，我并不為此感到驕傲。但比起讓一個(gè)東西變得更好，毀掉一個(gè)東西確實(shí)更加容易。如果你只是想要往凝聚情況里丟進(jìn)一只拿著扳手的猴子來搞亂它，那么腫瘤學(xué)正是你想要的地方。”Lowe說。

       Taylor說，除了神經(jīng)退行性疾病和癌癥，傳染病和自身免疫病也值得關(guān)注。例如，傳染病病原體可以利用生物分子凝聚物來促進(jìn)其復(fù)制周期，并且相變似乎也會(huì)影響調(diào)節(jié)著先天免疫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。他說：“雖然有關(guān)這些的證據(jù)還不如神經(jīng)退行性疾病和癌癥充分，但我認(rèn)為這些證據(jù)正在逐步浮出水面。”

       前路漫漫，但仍要保持信心

       一些研究人員仍有一些疑問。在體外系統(tǒng)中用經(jīng)過純化的凝聚物完成的研究，是否也能在體內(nèi)模型中實(shí)現(xiàn)？這些與疾病之間的關(guān)聯(lián)有直接的因果關(guān)系嗎？以及，凝聚物是否可能只是一種沒有真正的作用的生物物理現(xiàn)象，而不是重要的細(xì)胞結(jié)構(gòu)？

       Hyman和Rosen在2017年的一篇有關(guān)無膜細(xì)胞器的綜述中謹(jǐn)慎的描述了迄今為止的研究成果：“在大多數(shù)情況下，我們都不了解這樣的結(jié)構(gòu)究竟具有何種獨(dú)特的生化功能或細(xì)胞功能。”他們與同事們?cè)谖恼轮袑懙健?ldquo;干擾凝聚物引起的表型相當(dāng)微妙。我們也仍未發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)對(duì)于細(xì)胞或生物體的生存有重要作用。”換句話說，這個(gè)領(lǐng)域還很年輕。

       但Taylor確信凝聚物的病理學(xué)重要性，盡管他也承認(rèn)從這種新模式想要完成藥物研發(fā)仍然充滿了困難：“我們正處于概念和原則都已明晰，但確切目標(biāo)尚不清楚的尷尬境地。”

       與此同時(shí)，他指出了未來的兩個(gè)主要方向。一方面，研究人員可以捕獲直接與構(gòu)成生物分子凝聚物的蛋白質(zhì)結(jié)合的小分子。這些小分子也許會(huì)通過影響這些蛋白的穩(wěn)定性，來影響這些蛋白形成凝聚物的能力。然而長(zhǎng)久以來，很少有針對(duì)蛋白質(zhì)IDRs的小分子結(jié)合研究。

       另一方面，研究人員可以從凝聚物的上游調(diào)控機(jī)制入手。ATP酶，解旋酶和泛素化酶，也就是那些控制著凝聚物組分蛋白表達(dá)后修飾的蛋白，似乎對(duì)液-液相動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。但是是否存在一個(gè)只會(huì)影響疾病相關(guān)組分的目標(biāo)物仍有待商榷。冗余的調(diào)節(jié)機(jī)制是否會(huì)使問題復(fù)雜化也尚未可知。

       Dewpoint公司一直在試圖保持自己的思路開放。“考慮到只有針對(duì)特定目標(biāo)的特定凝聚物才能應(yīng)對(duì)特定治療情況，全方位發(fā)展對(duì)我們來說才是最有價(jià)值的選項(xiàng)。”Murcko說。

       他補(bǔ)充說，其實(shí)有關(guān)IDRs，從激酶到轉(zhuǎn)錄因子的所有東西，都已經(jīng)擺在了他的桌面上。Murcko在他的計(jì)算機(jī)上存有一個(gè)關(guān)于IDRs變形蛋白文獻(xiàn)的文件夾已經(jīng)有超過15年了。“每次我看到關(guān)于這個(gè)主題的論文，我都會(huì)讀它，然后我都會(huì)感到憤怒，因?yàn)槲艺娴母悴磺宄@些蛋白究竟在做什么，”Murcko說，他在整個(gè)職業(yè)生涯中都在利用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)更好的藥物。“現(xiàn)在，我們對(duì)于這些IDRs到底用來做什么第一次有了部分清晰的認(rèn)識(shí)。”

       尋找能夠結(jié)合IDRs的小分子的工作仍然進(jìn)展緩慢。“這可真是太難了，”Lowe說，“難到可以讓一個(gè)男人膽戰(zhàn)心驚。”但是Murcko表示，總還是有些數(shù)據(jù)讓人保持樂觀。例如在2016年，研究人員鑒別了一種能與雄激素受體的IDR結(jié)合的小分子候選藥物。

       隨著技術(shù)手段的進(jìn)步，研究進(jìn)展會(huì)越來越深入

       無論藥物研究者們決定往哪個(gè)方向發(fā)展，他們都需要各種各樣的工具來完成這些事情。他們不僅要能夠逐一研究凝聚物的蛋白組分和生物物理學(xué)特性，而且還必須使用先進(jìn)的成像技術(shù)來從相關(guān)的細(xì)胞中捕捉到能夠調(diào)控這些過程的小分子。

       “除非你真的仔細(xì)考慮過用于解決這些問題的各種技術(shù)手段，否則你將陷入一個(gè)充滿傷害的世界，充斥著讀數(shù)錯(cuò)誤，贗品和徹底的失敗，”Murcko說。

       交聯(lián)質(zhì)譜等新技術(shù)已經(jīng)被用于研究凝聚物成分中單個(gè)氨基酸的變化如何影響蛋白結(jié)構(gòu)。高質(zhì)量成像也可以用于觀察無膜細(xì)胞器的形成并捕捉到干擾這些動(dòng)態(tài)的小分子。但是這個(gè)領(lǐng)域仍然需要更多更好的技術(shù)。

       Hyman指出有更多工作需要通過Bouillon顯微鏡來完成，以評(píng)定細(xì)胞內(nèi)凝聚物的材料特性，例如評(píng)定凝聚物是液體狀還是凝膠狀。

       Brangwynne現(xiàn)在專注于開發(fā)可以控制細(xì)胞內(nèi)凝聚物形成的光遺傳工具。他在他的研究中將冷凝物組分的IDR區(qū)域與來自其他蛋白的光依賴性寡聚化結(jié)構(gòu)域結(jié)合成融合蛋白。通過將光照射到表達(dá)這些融合蛋白的細(xì)胞上，研究人員可以強(qiáng)制這些融合蛋白聚集和并借此誘發(fā)凝聚物形成。在光照結(jié)束后，成型的凝聚物則會(huì)逐步分解。Taylor在Brangwynne的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了另一項(xiàng)技術(shù)，另一種誘導(dǎo)無膜細(xì)胞器組裝的方法。

       “沒有人真正在量化思考管理我們細(xì)胞內(nèi)部組織的規(guī)則。他們只是觀察到了一些小液滴并把它稱為為相分離。我覺得這十分危險(xiǎn)。”Brangwynne說，“這項(xiàng)技術(shù)的作用就在于它可以讓你定量地繪制活細(xì)胞中的相態(tài)圖。”

       這些工具應(yīng)當(dāng)有助于研究人員弄清楚凝聚物的功能。而對(duì)于想要找到可以控制凝聚物的小分子藥物的研發(fā)者們來說，這些工具可以幫助他們?cè)u(píng)估小分子是否對(duì)細(xì)胞中的相分離過程產(chǎn)生影響。

       Brangwynne正在將其工具商業(yè)化，以用于治療和藥物發(fā)現(xiàn)方面的應(yīng)用。他表示投資者和生物技術(shù)公司都對(duì)此很有興趣。他在此借用了已故諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Sydney Brenner的一句話，用以強(qiáng)調(diào)工具開發(fā)的重要性。“科學(xué)進(jìn)步取決于新技術(shù)，新發(fā)現(xiàn)和新想法，而且要按照這種順序。”

       藥物研發(fā)將隨著這一領(lǐng)域的逐步深入發(fā)生變化

       藥物研發(fā)者們從來沒有明確地掌握過一個(gè)小分子進(jìn)入細(xì)胞后的確切位置，以及它如何在混亂的細(xì)胞質(zhì)中找到自由漂浮的目標(biāo)?，F(xiàn)在，這些對(duì)細(xì)胞組織原理的新發(fā)現(xiàn)表明，事情可能比先前預(yù)想的更復(fù)雜。

       “你不僅需要在細(xì)胞中跟蹤你的化合物，你還必須將它們追蹤到如此小的位置，小到你必須要用最先進(jìn)的成像技術(shù)才能說服自己它們真的存在，”Lowe說。

       研究人員在工作的同時(shí)，一直在思考這一切對(duì)于藥物發(fā)現(xiàn)意味著什么。哪些靶點(diǎn)能從無膜細(xì)胞器中找到？如果可能的話，生物分子凝聚物如何直接或間接地影響各種通路的活性？小分子是否會(huì)進(jìn)出這些結(jié)構(gòu)，這會(huì)影響小分子的起效嗎？小分子能否有效的調(diào)節(jié)凝聚物的形成和功能？考慮到無膜細(xì)胞器的短時(shí)性和微小性，這些問題都不會(huì)輕而易舉的被解答。

       除此之外，這個(gè)新領(lǐng)域也可能開辟了一條**測(cè)試的新途徑。“我個(gè)人的觀點(diǎn)是，隨著該領(lǐng)域的成熟，任何候選藥物都不應(yīng)該輕易進(jìn)入臨床試驗(yàn)，除非藥物公司已經(jīng)完全搞清楚了候選藥物對(duì)細(xì)胞中凝聚物的影響。”Murcko說。

       如同許多新興領(lǐng)域一樣，這個(gè)行業(yè)對(duì)于藥物研發(fā)者們而言正處于機(jī)遇與危險(xiǎn)并存的棘手的境地。“這就像試圖抓住下落的刀子一樣，”Lowe說。“在你拿起它之前，你可能想讓它在地板上掉落并振動(dòng)一秒鐘。但你不會(huì)想長(zhǎng)時(shí)間坐著，眼睜睜的看著其他人拿走所有的好東西。”

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