多肽相分离形成多相凝聚体的研究揭示生物分子凝聚新机制

《Nature Communications》：Multiphasic condensates formed with mono-component of tetrapeptides via phase separation

本研究聚焦于生物分子凝聚体的形成机制，通过设计四肽库，成功实现了单组分四肽的多相凝聚体构建，揭示了色氨酸（Tryptophan, W）在核心-外壳结构形成中的关键作用，为合成多相凝聚体提供了新思路，成果发表于《Nature Communications》。

　　细胞内生物分子凝聚体的形成与调控是细胞生理活动的关键环节。近期，浙江大学和西湖大学的研究人员通过设计四肽库，探索了单组分四肽在液-液相分离（LLPS）过程中形成多相凝聚体的机制。研究发现色氨酸（Tryptophan, W）在四肽凝聚体形成核心-外壳结构中起关键作用，其强烈的同型π-π相互作用是形成多相凝聚体的主要驱动力。该研究不仅揭示了四肽凝聚体的形成机制，还为合成具有特定功能的多相凝聚体提供了理论基础，成果发表于《Nature Communications》。

生物分子凝聚体在细胞内广泛存在，如应激颗粒、核仁等，它们通过液-液相分离（LLPS）形成，参与多种细胞生理活动。然而，目前对于由单组分短肽形成的多相凝聚体的研究还相对较少。本研究中，研究人员设计了一个四肽库，通过改变氨基酸组成，实现了四肽在不同条件下形成具有核心-外壳结构的多相凝聚体。研究发现，色氨酸（Tryptophan, W）在四肽序列中对凝聚体结构的形成至关重要。当色氨酸（W）存在时，四肽能够形成稳定的多相凝聚体，其内核呈现出类似固体的有序结构，而外壳则具有类似液体的流动性，这种结构有助于稳定内核并实现对客体分子的时空可控分布。

为了深入理解四肽凝聚体的形成机制，研究人员采用了多种技术手段。首先，通过分子动力学模拟结合冷冻聚焦离子束扫描电子显微镜（Cryo-FIB-SEM）和冷冻电镜（Cryo-EM），揭示了四肽凝聚体内部结构的异质性。内核的有序结构由色氨酸（W）的同型π-π相互作用驱动形成，而外壳的流动性则有助于稳定整个凝聚体结构。此外，研究人员还通过氧化还原反应实现了多相凝聚体与均质凝聚体之间的动态转换，进一步证明了通过调节肽-肽相互作用和肽-水相互作用的平衡，可以精确控制凝聚体的异质性。

在实验中，研究人员发现四肽凝聚体对客体分子的招募能力极强，平均封装效率可达90%左右。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察发现，当荧光染料在凝聚体形成前加入时，荧光分子主要集中在内核；而在凝聚体形成后加入时，则呈现出类似囊泡的结构。这表明四肽凝聚体具有核心-外壳结构，能够对客体分子的分布进行时空调控。进一步的荧光寿命成像显微镜（FLIM）实验显示，从外壳到内核，荧光寿命逐渐减小，表明凝聚体内部存在不同的微环境极性。冷冻电镜和冷冻聚焦离子束扫描电子显微镜（Cryo-FIB-SEM）的结果也直接证实了核心-外壳结构的存在，内核相对稳定，而外壳在离子束刻蚀下会迅速消失。

研究人员还通过改变四肽序列中的色氨酸（W）为酪氨酸（Y），发现形成的凝聚体为均质结构，而非核心-外壳结构。这进一步证实了色氨酸（W）的同型π-π相互作用在多相凝聚体形成中的关键作用。此外，通过将色氨酸（W）的吲哚环上的双键破坏，形成去氢色氨酸（DHT），也导致了均质凝聚体的形成，进一步证明了色氨酸（W）的芳香相互作用对多相凝聚体形成的重要性。

本研究不仅揭示了四肽凝聚体的形成机制，还为合成具有特定功能的多相凝聚体提供了理论基础。通过调节氨基酸组成和外部条件，可以精确控制凝聚体的结构和功能，为开发新型生物材料和药物递送系统提供了新的思路。该研究发表在《Nature Communications》上，为生物分子凝聚体领域的研究提供了重要的参考。

在研究方法方面，研究人员主要采用了以下几种关键技术：

1. 分子动力学模拟：用于研究四肽凝聚体的形成过程和内部结构的稳定性。
2. 冷冻电镜（Cryo-EM）和冷冻聚焦离子束扫描电子显微镜（Cryo-FIB-SEM）：用于直接观察四肽凝聚体的核心-外壳结构。
3. 共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和荧光寿命成像显微镜（FLIM）：用于研究客体分子在凝聚体内的分布和微环境极性。
4. 氧化还原反应：用于动态调控四肽凝聚体的形成和结构转换。

这些技术手段的综合应用，使得研究人员能够全面深入地探究四肽凝聚体的形成机制和结构特性，为后续的研究和应用开发奠定了坚实的基础。