專訪：不可思議的蛋白質相變過程

　　 曾有位學者說過，生物界中似乎沒有哪一個事件的悲壯程度可以與細胞分裂相比擬，因為為了新生命的誕生，老細胞需要撕裂瓦解，而這其中涉及的關鍵詞之一就包括紡錘體。從表面上看，有絲分裂紡錘體（spindle）是一個具有橄欖球形狀螺紋的球，它就像大力士海格力克，拉扯著染色體向兩極移動，因此不言而喻這種結構在細胞分裂中的重要性了。

　　 然而“在細胞分裂研究領域里，大部分研究都集中在微管（microtubule）和微管結合蛋白如何組裝成紡錘體，以及紡錘體如何精確連接到動點（kinetochore）去完成整個分裂過程。在紡錘體外有一層相對獨立于紡錘體的物質卻被人們忽略，這種物質被稱作紡錘體基質（spindle matrix）。紡錘體基質沒有具體的結構并且用傳統方法難觀察到，這些原因也造成了對其研究的難度，”來自美國卡耐基科學研究所的鄭詣先教授指出。

　　 大約在2007-2008年間，鄭教授實驗室跟John Yates實驗室合作完成了第一個紡錘體基質蛋白質譜分析。在這個基礎上，鄭教授實驗室又與中科院朱學良教授實驗室合作，在朱教授實驗室以鼠胚胎干細胞（mESCs）為系統，對紡錘體基質蛋白進行了RNAi篩選，從中找到了可能在細胞有絲分裂（mitosis）中有重要作用的基因BuGZ。

　　 “接下來朱學良教授送了兩位學生和博后到我實驗室繼續我們的合作，專注于研究BuGZ在有絲分裂中的生理功能。在發現BuGZ影響細胞有絲分裂后，朱敎授組又用蛋白質譜分析，發現BuGZ能夠結合Bub3. 這個重要提示, 讓姜昊博士(朱教授送過來的學生之一)進一步驗證BuGZ能夠結合與穩定Bub3的蛋白水平，并且在微管的協同幫助下調控Bub3的動點定位，進而影響微管和動點的相互作用來調控有絲分裂的進行，”鄭教授說。

　　 姜昊博士補充道，“之后我們又發現BuGZ和Bub3的蛋白水平被泛素連接酶Ubr5(另一個用質譜找到的BuGZ結合蛋白)以及激活的小GTP酶Ran（RanGTP）所調控，并且兩者蛋白水平的變化對紡錘體檢查點（spindle assembly checkpoint , SAC）的失活有重要影響”。

　　 在長期對紡錘體基質的研究中，鄭教授研究組了解了紡錘體基質在電鏡下看不到明顯的結構。這也是為什么大家對紡錘體基質的存在持懷疑態度的原因之一。

　　 同時他們也發現紡錘體基質在低溫的狀態下不穩定，這兩個現象讓他們推想紡錘體基質應該不像已知的微管或微絲那樣形成固體結構。有些蛋白質, 特別是那些Intrinsically disordered蛋白質能形成相變（BuGZ也是一個Intrinsically disordered蛋白）。進而他們發現BuGZ在體內體外的條件下都可以發生相變。

　　 所謂“相變”是物質的一種特性，如水、冰和水蒸氣之間的轉換，這在物理世界早已廣為人知，但細胞中蛋白質的相變及其生物學功能還知道的甚少。

　　 “所以我們很多實驗方法和條件的探索都沒有現成的樣板，我們在研究中是‘摸著石頭過河’”，姜昊說。

　　 為此他們想了很多辦法，用了各種手段，結合細胞生物學，分子生物學以及生物化學等一系列方法，在爪蟾、人的細胞系，以及體外等不同的系統中驗證BuGZ和其相變特性的生理功能。

　　 “當然整個研究過程中我們也遇到了很多難題。比如，利用爪蟾成熟卵裂解液和Aurora A磁珠來形成并純化紡錘體基質，以及在適宜的條件下（體積，溫度，純化和實驗方法）來操作接下來的實驗都給我們造成了難題。同時，為了讓實驗結果精確，需要純化的蛋白盡量在生理條件下和實驗過程中不出現降解，這給我們提出了更高的生化表達和純化上的要求。在研究過程中姜昊和王澍生（另一位鄭教授組專注于BuGZ體外相變研究的副研究員）靠閱讀現有文獻和測試不同的實驗條件和方法解決了這些難題，”鄭教授說。

　　 經過一系列的實驗和嘗試，他們發現了一個有趣的事實，BuGZ富含的進化上保守的疏水性區域，能通過分子間的疏水相互作用使BuGZ形成大小不一的液滴狀結構，并從水溶液中分離出來。液滴的形成是可逆的，符合物質的相變特征。

　　 姜昊博士解釋道，“在溫度低的情況下，單個的BuGZ分子內聚成內向封閉的狀態，分子間不易相互結合。當溫度升高時，單個BuGZ分子會伸展開，將疏水性區域展開，將疏水性氨基酸（例如苯丙氨酸和酪氨酸）暴露出來，BuGZ分子間通過這些疏水區間結合在一起，形成‘小液滴’（liquid droplet）似的物理結構。”

　　 由此研究組成員證明了BuGZ的缺失能在不同系統里能影響微管的組裝，純化的BuGZ能進行相變。進一步將兩者的關系結合在了一起，他們發現BuGZ的相變促進了紡錘體基質的組裝和紡錘體的形成。從而更進一步地揭示了這個蛋白對紡錘體以及其基質的組裝的功能。這項研究也解釋了為什么在紡錘體基質里看不到像微管那樣的特異的固體結構。這一重要的研究成果公布在頂級期刊《Cell》雜志上，姜昊博士為第一作者之一。

　　 那么到底什么是紡錘體基質？

　　 對于這個問題，鄭教授也詳細介紹道，“低等生物如真菌進行封閉性有絲分裂（closed mitosis），高等生物如多細胞動物進行半開放或者全開放性有絲分裂（partially open or completely open mitosis）。”

　　 紡錘體基質這個概念就是從開放性有絲分裂引發出來的。人們在1960年代從同步的海膽卵中分離出有絲分裂的紡錘體，并且發現在紡錘體內外有一層非微管的且相對獨立的物質結構。這種結構在微管解聚后仍能單獨存在并相對維持原來的形狀。這些非微管物質被稱為紡錘體基質，科學家們也預言這些物質能調節有絲分裂。

　　 紡錘體基質與微管相輔相成，前者促進后者形成正常的紡錘體結構，而后者的聚合又增強前者的組裝。通過利用爪蟾成熟卵裂解液做體外紡錘體和紡錘體基質的重組，鄭教授與姜昊等人發現越來越多的蛋白是紡錘體基質成分，例如NuMA，Eg5，Dynein，Nudel，Lamin-B以及BuGZ等等。

　　 鄭教授說，“目前我們還不知道Lamin-B 以及其它的蛋白質在基質中形成什么樣的結構。但是通過我們對BuGZ及其相變特性的研究和發現，我們現在認為BuGZ以及其他結合蛋白在有絲分裂以及紡錘體形成過程中，以微管為平臺發生體內環境下的相變，形成類似于‘液膠’（liquid gel）或者‘液滳’（liquid droplet）的與微管連接的結構。

　　 除此之外，這些因子又能結合并富集其它的對有絲分裂有重要作用的紡錘體基質蛋白。我們可以簡單形象地稱它們為“軟建構”。這種軟建構與微管一起協同作用，使對分裂過程中不同階段不同部分起不同作用的關鍵蛋白在紡錘體附近的區域內富集，并進行有特異性的生化反應，從而使紡錘體形成，細胞分裂高效有序的進行。”

　　 總體來說，鄭教授表示，目前主要的問題是紡錘體是細胞內最復雜的大結構之一，光研究微管還不能解釋錘體的形成和作用。雖然紡錘體基質有可能幫助解釋細胞分裂的機理，但是由于各種原因，錘體基質一直沒有得到認可和重視。

　　 “我們希望BuGZ的相變特性在紡錘體以及其基質中的功能可以為該領域的研究開啟一扇新大門。相變可能滲透在紡錘體組裝以及染色體分離的各個環節和步驟中。相變也可能在生物的其他領域也起到相似的作用。研究相變也會對臨床研究有重要意義。

　　 從抑制癌細胞分裂的角度來治療癌癥一直是臨床科研的熱點，如果我們能了解紡錘體基質的相變物理特性和關鍵蛋白，我們就可以在體外的條件下形成紡錘體基質的特殊結構，并進一步在這個結構的環境下體外組裝紡錘體。我們可以利用這種體外形成的紡錘體更方便地進行篩藥，這不但會大大提高篩藥工作的效率和降低成本，還會排除藥物在體內環境下對細胞間期（interphase）的影響。”