我們在此前的文章中詳細介紹了這十年來無膜細胞器領域的發(fā)展狀況。從2009年第一篇報道無膜細胞器流體特性的文章開始，越來越多有關無膜細胞器的生物物理學特性被發(fā)掘出來。同時也有大量文獻表明，無膜細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。

基于無膜細胞器的種種特性，已經(jīng)有初創(chuàng)公司開始向這一領域布局，各大跨國藥企也在對這一領域保持密切關注。然而在這個領域發(fā)展的同時，無膜細胞器復雜的基礎機理讓研究人員們難下定論。對這些復雜機理的研究，也需要更多更好的技術手段。

初創(chuàng)公司起步，藥企密切關注

藥物研發(fā)者們已經(jīng)開始關注到這一點。Dewpoint Therapeutics于1月份成立，是第一家公開在此領域押注的公司。其他一些初創(chuàng)企業(yè)則尚未公布。大型制藥公司也對此保持密切關注。“這是一個非常有意思的基礎生物學的領域，我們希望能夠更深入的了解這些結構在疾病中的作用，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)辦了一場專門針對無膜細胞器的紐約科學院研討會。

Dewpoint的CSO Mark Murcko補充說，這一領域潛藏著巨大的機會�！爱斘覀兞私饬诉@些凝聚物如何起效時，我們可以再去看一下以前那些大家都關注過卻未能成藥的靶點。我們可以提個問題，＇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，讓這個靶點變得更聽話一些？＇“

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

“這不像宇宙學那么博大精深，但還是有許多未知因素�！逼樟炙诡D大學的生物物理工程師Cliff Brangwynne說到。正是他的工作喚起了人們對液－液相分離和無膜細胞器的興趣。

“你不會想要轉身背離這些東西以無視他們，因為它很可能會一直在你身后偷悄悄地跟著你�！敝Z華生物醫(yī)學研究所的藥物化學家Derek Lowe補充說。他也正密切關注這個領域。

在藥物開發(fā)計劃方面，腫瘤學有著最直接的應用途徑。雖然藥物化學家可能很難在神經(jīng)退行情況下恢復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)來殺死癌細胞�！罢f實話作為一名藥物化學家，我并不為此感到驕傲。但比起讓一個東西變得更好，毀掉一個東西確實更加容易。如果你只是想要往凝聚情況里丟進一只拿著扳手的猴子來搞亂它，那么腫瘤學正是你想要的地方�！盠owe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注。例如，傳染病病原體可以利用生物分子凝聚物來促進其復制周期，并且相變似乎也會影響調(diào)節(jié)著先天免疫的信號轉導過程。他說：“雖然有關這些的證據(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)模型中實現(xiàn)？這些與疾病之間的關聯(lián)有直接的因果關系嗎？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，而不是重要的細胞結構？

Hyman和Rosen在2017年的一篇有關無膜細胞器的綜述中謹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構究竟具有何種獨特的生化功能或細胞功能�！彼麄兣c同事們在文章中寫到�！案蓴_凝聚物引起的表型相當微妙。我們也仍未發(fā)現(xiàn)這些結構對于細胞或生物體的生存有重要作用�！睋Q句話說，這個領域還很年輕。

但Taylor確信凝聚物的病理學重要性，盡管他也承認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，但確切目標尚不清楚的尷尬境地。”

與此同時，他指出了未來的兩個主要方向。一方面，研究人員可以捕獲直接與構成生物分子凝聚物的蛋白質(zhì)結合的小分子。這些小分子也許會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。然而長久以來，很少有針對蛋白質(zhì)IDRs的小分子結合研究。

另一方面，研究人員可以從凝聚物的上游調(diào)控機制入手。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后修飾的蛋白，似乎對液－液相動力學至關重要。但是是否存在一個只會影響疾病相關組分的目標物仍有待商榷。冗余的調(diào)節(jié)機制是否會使問題復雜化也尚未可知。

Dewpoint公司一直在試圖保持自己的思路開放�！翱紤]到只有針對特定目標的特定凝聚物才能應對特定治療情況，全方位發(fā)展對我們來說才是最有價值的選項。”Murcko說。

他補充說，其實有關IDRs，從激酶到轉錄因子的所有東西，都已經(jīng)擺在了他的桌面上。Murcko在他的計算機上存有一個關于IDRs變形蛋白文獻的文件夾已經(jīng)有超過15年了。“每次我看到關于這個主題的論文，我都會讀它，然后我都會感到憤怒，因為我真的搞不清楚這些蛋白究竟在做什么，”Murcko說，他在整個職業(yè)生涯中都在利用蛋白質(zhì)結構來設計更好的藥物。“現(xiàn)在，我們對于這些IDRs到底用來做什么第一次有了部分清晰的認識�！�

尋找能夠結合IDRs的小分子的工作仍然進展緩慢�！斑@可真是太難了，”Lowe說，“難到可以讓一個男人膽戰(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結合的小分子候選藥物。

隨著技術手段的進步，研究進展會越來越深入

無論藥物研究者們決定往哪個方向發(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特性，而且還必須使用先進的成像技術來從相關的細胞中捕捉到能夠調(diào)控這些過程的小分子。

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

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

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

圖1：藍光誘導下的無膜細胞器形成過程

圖2：停止藍光照射后，無膜細胞器的分解過程

圖片來源：Dan Bracha，Mackenzie T．Walls，et al．Mapping Local and Global Liquid Phase Behavior in Living Cells Using Photo－Oligomerizable Seeds．Cell．175，1467－1480（2018）．

Brangwynne現(xiàn)在專注于開發(fā)可以控制細胞內(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構域結合成融合蛋白。通過將光照射到表達這些融合蛋白的細胞上，研究人員可以強制這些融合蛋白聚集和并借此誘發(fā)凝聚物形成（圖1）。在光照結束后，成型的凝聚物則會逐步分解（圖2）。Taylor在Brangwynne的基礎上創(chuàng)建了另一項技術，另一種誘導無膜細胞器組裝的方法。

“沒有人真正在量化思考管理我們細胞內(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�！盉rangwynne說，“這項技術的作用就在于它可以讓你定量地繪制活細胞中的相態(tài)圖。”

這些工具應當有助于研究人員弄清楚凝聚物的功能。而對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評估小分子是否對細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)方面的應用。他表示投資者和生物技術公司都對此很有興趣。他在此借用了已故諾貝爾獎獲得者Sydney Brenner的一句話，用以強調(diào)工具開發(fā)的重要性。“科學進步取決于新技術，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小分子進入細胞后的確切位置，以及它如何在混亂的細胞質(zhì)中找到自由漂浮的目標�，F(xiàn)在，這些對細胞組織原理的新發(fā)現(xiàn)表明，事情可能比先前預想的更復雜。

“你不僅需要在細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的成像技術才能說服自己它們真的存在，”Lowe說。

研究人員在工作的同時，一直在思考這一切對于藥物發(fā)現(xiàn)意味著什么。哪些靶點能從無膜細胞器中找到？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？小分子是否會進出這些結構，這會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？考慮到無膜細胞器的短時性和微小性，這些問題都不會輕而易舉的被解答。

除此之外，這個新領域也可能開辟了一條毒性測試的新途徑。“我個人的觀點是，隨著該領域的成熟，任何候選藥物都不應該輕易進入臨床試驗，除非藥物公司已經(jīng)完全搞清楚了候選藥物對細胞中凝聚物的影響�！盡urcko說。

如同許多新興領域一樣，這個行業(yè)對于藥物研發(fā)者們而言正處于機遇與危險并存的棘手的境地�！斑@就像試圖抓住下落的刀子一樣，”Lowe說�！霸谀隳闷鹚�之前，你可能想讓它在地板上掉落并振動一秒鐘。但你不會想長時間坐著，眼睜睜的看著其他人拿走所有的好東西�！�