细胞外相分离在甲状腺滤泡腔中对甲状腺球蛋白储存和释放的调控机制

《Communications Biology》：Extracellular phase separation mediates storage and release of thyroglobulin in the thyroid follicular lumen

为探究甲状腺球蛋白（Tg）在甲状腺滤泡腔储存和释放机制，研究人员发现其可发生离子强度依赖的相分离，这对维持甲状腺激素稳态意义重大。

　　甲状腺，这个位于颈部前方的小腺体，却掌控着人体新陈代谢、生长发育的 “大权”。甲状腺激素就像是身体里的 “小指挥官”，精准调节着细胞分化、身体发育和新陈代谢等重要过程。一旦甲状腺激素的分泌和释放失去平衡，就如同 “指挥官” 乱了阵脚，会引发各种健康问题。比如，甲状腺激素缺乏会影响孩子的生长和神经发育，让孩子的成长之路充满坎坷；在成年人身上，则会给心脏代谢和神经系统带来麻烦。而甲状腺激素过多也不好，可能导致心脏功能受损、骨质疏松，让人日渐消瘦，甚至引发致命的甲状腺风暴。

为了维持甲状腺激素的稳定，甲状腺有自己的 “秘密武器”—— 甲状腺球蛋白（Tg）。Tg 是一种大型二聚体糖蛋白，就像一个 “储存库”，在甲状腺滤泡细胞中大量表达，然后被分泌到滤泡腔。在这里，它和碘一起，在细胞外基质中 “安营扎寨”，为甲状腺激素的合成提供 “原材料”。然而，一直以来，可溶性的 Tg 分子是如何在滤泡腔中形成高密度的储存库的，这一谜团始终困扰着科研人员。

来自英国剑桥大学的研究人员决心揭开这个谜团。他们开展了一系列研究，最终发现细胞外相分离可能是介导 Tg 在甲状腺滤泡腔中储存和释放的关键机制。这一重要研究成果发表在《Communications Biology》杂志上。

研究人员为了开展这项研究，运用了多种关键技术方法。首先是微流控技术，通过精心设计和制作基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的微流控芯片，利用不同浓度的 KCl、Tg 等溶液，精确绘制出了 Tg 相分离的高分辨率相图。其次，采用荧光漂白恢复（FRAP）技术，对不同状态的 Tg 凝聚体进行检测，以此来分析其分子流动性等特性。此外，免疫荧光（IF）技术也发挥了重要作用，研究人员对培养的小鼠和人类甲状腺滤泡进行免疫荧光实验，从而观察 Tg 在体内的分布情况 。

下面来看具体的研究结果：

• Tg 在体外发生离子强度依赖的相分离：研究人员猜测 Tg 在储存和释放过程中可能发生相转变。于是，他们用 Alexa Fluor 488 标记 Tg，通过改变 Tg、KI 或 KCl 的浓度，添加聚乙二醇（PEG）20k 模拟甲状腺滤泡腔环境。荧光共聚焦显微镜成像显示，当盐和蛋白质浓度超过一定阈值时，Tg 会形成凝聚体，而且盐浓度越高，相分离所需的蛋白质临界浓度越低。利用微流控平台绘制的相图也表明，在 KCl 浓度高于 100 mM 时，Tg 会发生相分离，且在相分离体系中，小于 2 μM 的 Tg 就能形成凝聚体。
• Tg 相分离形成随时间老化的液态凝聚体：体外实验证实，Tg 在生理相关条件下会发生相分离。进一步研究发现，这些凝聚体呈现出液态的特性。从形状上看，不同浓度的 Tg 都能形成球形凝聚体，而且凝聚体的圆度大多在 0.8 - 1.0 之间，具有高度的球形度。凝聚体还能融合，这意味着其中的 Tg 分子具有较高的流动性，FRAP 实验也验证了这一点，新形成的凝聚体在约 80 秒内，荧光信号能恢复一半以上。但随着时间推移，凝聚体的性质会发生变化，孵育 1 小时后，其荧光恢复明显减弱，这表明凝聚体在老化，可能从液态向更凝胶状转变。
• Tg 凝聚体转变为可逆凝胶：为了探究 Tg 凝聚体作为高密度储存库时分子释放的效率，研究人员进行了稀释实验。新鲜形成的 Tg 凝聚体在稀释后 10 分钟内全部溶解，而且溶解从凝聚体中心开始，逐渐向外扩展。1 小时后形成的凝聚体虽然性质有所改变，但在稀释后大部分也能在 10 分钟内溶解。这说明 Tg 相分离具有可逆性，能够建立一个动态的储存库，实现蛋白质的快速储存和释放。
• Tg 在培养的小鼠和人类甲状腺滤泡中的空间分布具有体内相分离的特征：研究人员对培养的小鼠和人类甲状腺滤泡进行免疫荧光实验。用 DAPI 染甲状腺细胞的核酸 DNA，用抗 Ezrin 抗体标记甲状腺细胞的顶端膜，用 AF594 标记的抗体检测 Tg。结果发现，在小鼠和人类甲状腺滤泡腔中都能观察到蛋白质密集的 Tg 球状体，而且这些球状体的圆度超过 0.75，具有高度的球形度，这表明表面张力在储存库形成早期对其形状起到了重要作用，进一步证实了体内 Tg 存在相分离现象。

研究结论表明，Tg 在体外会发生离子强度依赖的相分离，并形成可逆的凝聚体。体内外实验都显示，细胞外相分离可能是 Tg 在甲状腺滤泡腔中稳定储存和释放的重要机制。虽然研究没有深入探讨 Tg 储存和释放的调控机制，但已有研究表明，促甲状腺激素（TSH）等可以调节其过程，而且其他生物分子凝聚体的调节方式也为研究 Tg 提供了参考方向。

这项研究意义非凡。它揭示了甲状腺激素储存和释放的新机制，为理解甲状腺的生理功能提供了重要依据。而且，蛋白质相分离在细胞内的研究已经较为广泛，但在细胞外环境中的作用还知之甚少，该研究为这一领域开辟了新的研究方向，为进一步探究 Tg 相分离在人类甲状腺中的作用奠定了坚实基础，有望为甲状腺相关疾病的治疗和干预提供新的思路和靶点。