生物大分子凝聚物（BMCs）在基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞分裂等重要生物過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，其異常形成與多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)，臨床上迫切需要有效的診斷和治療手段。此外，目前對(duì)BMCs的構(gòu)造和調(diào)控機(jī)制的理解仍顯不足，亟待深入研究和探索。
近日，由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所副研究員趙維和香港浸會(huì)大學(xué)曾祥澤教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，在Journal of Biological Chemistry發(fā)表綜述文章，題為《Recent Advances in the Synthesis and Application of Biomolecular Condensates》。該研究揭示了BMCs構(gòu)造的基本原則、調(diào)控方法（包括光控制、化學(xué)和酶控制、溫度控制及pH控制），以及BMCs在染色體結(jié)構(gòu)、神經(jīng)退行性疾病和生物制造等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。通過(guò)對(duì)BMCs構(gòu)造機(jī)制的深入分析，該研究為合成生物學(xué)的發(fā)展提供了新的視角，推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步探索。
文章上線截圖
生物大分子凝聚物（BMCs）是一類動(dòng)態(tài)有序的生物物理學(xué)系統(tǒng)，參與基因轉(zhuǎn)錄、染色體組織、細(xì)胞分裂、腫瘤發(fā)生和衰老等生物過(guò)程，受到多種內(nèi)外因素的精密調(diào)控。最近，利用合成生物學(xué)方法對(duì)BMCs進(jìn)行從頭合成，不僅為解析天然BMCs的構(gòu)造規(guī)律提供了機(jī)會(huì)，而且，這些合成的BMCs（SBMCs）通過(guò)相分離調(diào)控，巧妙地模擬了天然BMCs的自組裝和動(dòng)態(tài)過(guò)程，在染色體結(jié)構(gòu)、神經(jīng)退行性疾病、生物制造等研究領(lǐng)域中展現(xiàn)了巨大的潛力。文章從以下幾方面綜述了國(guó)內(nèi)外的最新研究進(jìn)展。
一、BMCs構(gòu)造的基本原則：探討了相分離中的多價(jià)相互作用在驅(qū)動(dòng)蛋白相分離中的關(guān)鍵作用，如多價(jià)基序、多價(jià)交互作用以及序列特征等。這些特征使蛋白能夠形成動(dòng)態(tài)、可逆轉(zhuǎn)的BMCs，發(fā)揮細(xì)胞中重要的生理功能。
圖1. 多價(jià)相互作用驅(qū)動(dòng)的相分離示意圖
二、調(diào)控方法：介紹了光控制、化學(xué)和酶控制、溫度控制以及pH控制等多種方法用于實(shí)現(xiàn)SBMCs的精確調(diào)控。這些方法使研究人員能夠精準(zhǔn)地操作和調(diào)節(jié)BMCs的組裝和解聚過(guò)程。
圖2. 光控相分離示意圖
三、應(yīng)用領(lǐng)域：展示了SBMCs在染色體結(jié)構(gòu)研究、神經(jīng)退行性疾病分析、生物制造研究、人工細(xì)胞設(shè)計(jì)和藥物傳遞等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。這些應(yīng)用為深入了解生物學(xué)過(guò)程、疾病發(fā)生機(jī)制以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新提供了重要平臺(tái)。
SBMCs在染色體結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用：染色體的組織對(duì)基因表達(dá)和穩(wěn)定性至關(guān)重要。Polycomb suppressicomplex 1（PRC1）是一種染色質(zhì)修飾復(fù)合物，參與維持染色質(zhì)的抑制狀態(tài)。Clifford Brangwynne團(tuán)隊(duì)通過(guò)Corelets系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種光激活的多組分PRC1凝聚物，闡明了PRC1在染色質(zhì)致密化中的機(jī)制。這項(xiàng)研究為染色體結(jié)構(gòu)研究提供了理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
SBMCs在神經(jīng)退行性疾病分析中的應(yīng)用：研究顯示，神經(jīng)退行性疾?。ㄈ缂∥s側(cè)索硬化癥）的病理表現(xiàn)多以TDP-43蛋白病變積累為特征，為了了解TDP-43積聚的機(jī)制，Christopher Donnelly使用optoDroplets系統(tǒng)精確控制TDP-43凝聚體的形成，揭示了其在病理特征中的重要機(jī)制。
SBMCs在生物制造中的應(yīng)用：在生物催化系統(tǒng)中，BMCs可以精確控制反應(yīng)環(huán)境。Jiang Xia團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的多酶SBMC促進(jìn)了天然化合物α-法尼烯的合成，提升了反應(yīng)效率和產(chǎn)物純度。此外，Xiaoxia Xia團(tuán)隊(duì)利用蜘蛛絲蛋白合成了1,3-二氨基丙烷，展示了SBMC在生物制造中的潛力。
這些研究表明SBMCs在生物科學(xué)和工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。
圖3. SBMCs在生物技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)和生物制造中的應(yīng)用
這些最新研究成果為我們揭示了生物大分子凝聚體的奧秘，為合成生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的視角和方法。這些創(chuàng)新將進(jìn)一步推動(dòng)生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，為未來(lái)的科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)應(yīng)用帶來(lái)更多可能性。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所副研究員趙維為本文的通訊作者，香港浸會(huì)大學(xué)曾祥澤教授為本文的共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)學(xué)生李忠悅為文章的第一作者。本工作獲得了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的支持。
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