李丕龍：“相分離”打開(kāi)生命的密碼

倪海波

食用油滴在水中，由于油的強(qiáng)疏水性，兩者會(huì)完全分離成兩個(gè)獨(dú)立的液態(tài)相：油相和水相，即使強(qiáng)烈震蕩，兩相依然互不相溶，只會(huì)使油在剪切力的作用下打散成為無(wú)數(shù)近乎完美球形的小油滴懸浮于水中，這是已經(jīng)研究了上百年的物理化學(xué)領(lǐng)域中的“相分離”現(xiàn)象。

近10年來(lái)，生命科學(xué)領(lǐng)域中的“相分離”現(xiàn)象成為備受關(guān)注的新興前沿領(lǐng)域。作為這一領(lǐng)域的重要奠基人之一，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員李丕龍經(jīng)過(guò)潛心研究，不僅證實(shí)了多價(jià)互作介導(dǎo)的“液-液分離相變”是細(xì)胞內(nèi)無(wú)膜細(xì)胞器的重要形成機(jī)理，還發(fā)現(xiàn)選擇性自噬通路里貨物的富集是通過(guò)多泛素化鏈介導(dǎo)的“相變”實(shí)現(xiàn)的。

如今，他仍致力于研究相分離在生物自噬、轉(zhuǎn)錄調(diào)控及表觀遺傳等領(lǐng)域的生物學(xué)功能，他和團(tuán)隊(duì)將以一個(gè)全新的視角審視一個(gè)表觀遺傳學(xué)里的經(jīng)典問(wèn)題——染色質(zhì)的形成機(jī)理究竟是什么？這一課題一旦突破，或?qū)槿旧|(zhì)生物學(xué)提供新的理論基礎(chǔ)，為理解發(fā)育、疾病及其防治提供全新的思路，生命的密碼或?qū)⒁虼舜蜷_(kāi)。

在李丕龍看來(lái)，科研上的“使命感”促使他在科研的道路上一直前行。他堅(jiān)信，堅(jiān)持往前走定能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

生物大分子“相變”揭示細(xì)胞內(nèi)無(wú)膜細(xì)胞器形成機(jī)理

食用油滴在水中的“相變”現(xiàn)象，只是在日常生活中常見(jiàn)的一個(gè)案例。相變作為物質(zhì)的一種特性（如水、冰和水蒸氣三相之間的轉(zhuǎn)換）在物理學(xué)界及日常生活中早已廣為人知，在高分子化學(xué)和軟物質(zhì)物理等領(lǐng)域被研究已有近百年的歷史。近些年的研究表明，相變?cè)谏顒?dòng)中同樣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，微觀細(xì)胞中，相變是以生物大分子“液-液分離相變”的形式發(fā)生的。

第一次明確提出細(xì)胞中存在“相變”現(xiàn)象的是德國(guó)馬克斯·普朗克科學(xué)促進(jìn)學(xué)會(huì)的生物學(xué)家Anthony A. Hyman及其同事。2009年，Hyman課題組首次報(bào)道線蟲(chóng)早期胚胎中的P顆粒（P Granule）為獨(dú)立于液態(tài)細(xì)胞質(zhì)的液相聚集體。隨后Hyman和Brangwynne課題組又報(bào)道了爪蟾細(xì)胞的核仁是核質(zhì)中一種獨(dú)立的液態(tài)相。核仁和P顆粒屬于細(xì)胞里無(wú)數(shù)無(wú)膜細(xì)胞器中的兩種。但是這些無(wú)膜細(xì)胞器的成分十分復(fù)雜，直接研究這些液態(tài)相的形成機(jī)理很困難。

在Hyman等在細(xì)胞中觀察并描述無(wú)膜細(xì)胞器的物理特性的同時(shí)，李丕龍正在美國(guó)德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的Michael K. Rosen實(shí)驗(yàn)室，研究一個(gè)與其截然不同的課題——由多價(jià)且有柔性的互作生物大分子形成的復(fù)合物的具體組成及穩(wěn)定性。

李丕龍和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一些多價(jià)且有柔性的互作分子，例如，含有3個(gè)Src homology 3（SH3）結(jié)構(gòu)域的Nck和含有6個(gè)SH3配體的N-WASP或含有4個(gè)RNA Recognition Motif（RRM）結(jié)構(gòu)域的多聚嘧啶序列結(jié)合蛋白和含有5個(gè)RRM配體的RNA分子，在一定濃度下會(huì)形成高度動(dòng)態(tài)的無(wú)限網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在宏觀上的體現(xiàn)就是，產(chǎn)生一個(gè)正常的溶液相和一個(gè)生物大分子（蛋白、RNA）富積且粘稠的液態(tài)相，這種現(xiàn)象被稱為“液-液分離相變”。

其中，生物大分子富積且粘稠的液態(tài)相與P顆粒和核仁一樣，其液滴呈球形，兩個(gè)液滴接觸后能融合，在剪切力的作用下能變形甚至斷開(kāi)，去除剪切力后，又能自動(dòng)恢復(fù)成球形。上述P顆粒和核仁等無(wú)膜細(xì)胞器恰恰也富含多價(jià)且有柔性的互作蛋白及RNA，并且處于一個(gè)比周邊細(xì)胞質(zhì)或核質(zhì)更加粘稠的狀態(tài)。

鑒于體外“相變”產(chǎn)生的生物大分子富積的液態(tài)相與無(wú)膜細(xì)胞器的各種物理特性非常相似，并且兩者組成成分的物理性質(zhì)也很相似，因而李丕龍的研究與Hyman等的研究看似互不相關(guān)，卻共同暗示多價(jià)互作介導(dǎo)的“液-液分離相變”正是細(xì)胞內(nèi)無(wú)膜細(xì)胞器的重要形成機(jī)理。

這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究成果對(duì)生物大分子相分離全新領(lǐng)域的開(kāi)啟發(fā)揮了關(guān)鍵作用，發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊如Nature、Science、Cell及其子刊的文章陸續(xù)證實(shí)，多種無(wú)膜細(xì)胞器具有與P顆粒、核仁一樣的液態(tài)性質(zhì)，是由“相變”介導(dǎo)形成的。例如，細(xì)胞質(zhì)里的應(yīng)激顆粒nuage；選擇性自噬信號(hào)通路里的p62 body；細(xì)胞核里的DNA損傷修復(fù)位點(diǎn)PML body；T淋巴細(xì)胞膜上的T-細(xì)胞受體；神經(jīng)元的突觸后密集層（post synaptic density）等。

尤其重要的是，一些導(dǎo)致疾病（特別是神經(jīng)/肌肉退行性疾?。┑牡鞍谆蚝怂嵋材茉隗w內(nèi)體外發(fā)生“液-液分離相變”。這些液態(tài)相或者本身具有毒性或者可以進(jìn)一步固化形成具有毒性的沉積。所以研究多價(jià)互作介導(dǎo)的“相變”會(huì)提高我們對(duì)這些蛋白或核酸的致病機(jī)理的理解，為相關(guān)疾病的有效干預(yù)及治療提供全新思路。

作為多價(jià)互作介導(dǎo)“相變”成果的主要發(fā)現(xiàn)人之一，李丕龍從美國(guó)回來(lái)后加入清華大學(xué)，隨后又與俞立課題組合作發(fā)現(xiàn)選擇性自噬通路里貨物的富集是通過(guò)多泛素化鏈介導(dǎo)的“相變”實(shí)現(xiàn)的。李丕龍團(tuán)隊(duì)的研究成果陸續(xù)發(fā)表于Nature（2019年）、Cell Research（2018、2019年）及Molecular Cell（2019年）等高水平生物學(xué)期刊上，并且已申請(qǐng)7個(gè)國(guó)內(nèi)專利，1個(gè)國(guó)際專利正在申請(qǐng)中。

“相變”或?qū)⒔忾_(kāi)染色質(zhì)形成機(jī)理

雖然相變?cè)谏镱I(lǐng)域的研究起步較晚，但它剛嶄露頭角就引起了廣泛關(guān)注。目前基于相變的蛋白互作及其調(diào)控方面的研究已經(jīng)逐漸升溫并在短期內(nèi)成為生物學(xué)領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。

近幾年來(lái)，相關(guān)的研究成果大都發(fā)表于世界頂級(jí)期刊（Nature、Cell、Science及其子刊等），為相關(guān)研究提供了可靠的理論依據(jù)和美好的前景展望。

在這個(gè)全新領(lǐng)域的起始和發(fā)展過(guò)程中，除李丕龍外，還有許多中國(guó)科學(xué)家，如香港科技大學(xué)張明杰教授，中國(guó)科學(xué)院的朱學(xué)良研究員、張宏研究員等，都做出了重要貢獻(xiàn)，鑒定了一系列相變驅(qū)動(dòng)的蛋白質(zhì)機(jī)器，深入闡明了多種重要無(wú)膜細(xì)胞器的形成及可能的調(diào)控機(jī)制，獲得了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注和認(rèn)可。

“這一領(lǐng)域目前還只是揭開(kāi)了冰山一角，剛剛被認(rèn)識(shí)到，盡管研究這方面的文章有如雨后春筍，但細(xì)胞內(nèi)相變的發(fā)生機(jī)制與調(diào)控機(jī)制，相變與疾病的關(guān)系等問(wèn)題，還有待進(jìn)一步研究，這個(gè)領(lǐng)域仍有很多有價(jià)值的東西，我們正在努力挖掘?！崩钬堈f(shuō)。

在首次發(fā)現(xiàn)生物大分子通過(guò)多價(jià)-多價(jià)互作（互作雙方都有多個(gè)互作位點(diǎn)）會(huì)發(fā)生“液-液分離相變”（簡(jiǎn)稱“相變”）后，很多研究表明“相變”是細(xì)胞內(nèi)多種無(wú)膜細(xì)胞器的形成機(jī)制和發(fā)揮功能的基礎(chǔ)。異染色質(zhì)是真核生物染色質(zhì)的重要組成部分，對(duì)維持基因組的穩(wěn)定性、調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄等基本生命過(guò)程發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

長(zhǎng)久以來(lái)，人們對(duì)異染色質(zhì)的組成包括核小體修飾、DNA修飾、非組蛋白等成分已有了透徹的理解。然而，直至今日，異染色質(zhì)的形成機(jī)制卻不甚明了。

“和許多無(wú)膜細(xì)胞器類似，異染色質(zhì)也是微米級(jí)的生物大分子聚合物，其標(biāo)志性的組蛋白修飾多聚集在局部，以多價(jià)形式存在，已有的數(shù)據(jù)顯示識(shí)別這些修飾的‘閱讀器也多以多價(jià)狀態(tài)發(fā)揮作用?！崩纾惾旧|(zhì)核小體串上的H3K9me3與其“閱讀器”——異染色質(zhì)蛋白HP1就屬于這種情況。H3K9me3在核小體串上呈天然多價(jià)狀態(tài)，HP1中負(fù)責(zé)識(shí)別和結(jié)合H3K9me3的CD結(jié)構(gòu)域也是多價(jià)的。于是他和團(tuán)隊(duì)成員提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：或許，多價(jià)H3K9me3和多價(jià)CD互作介導(dǎo)的“液-液分離相變”是異染色質(zhì)形成的重要機(jī)制。

這一課題或許比證實(shí)“生物大分子相變?cè)诩?xì)胞里是普遍存在的”更令李丕龍感到興奮?！袄碚撋现v，細(xì)胞里任何具有多價(jià)相互作用的體系都有可能通過(guò)相變行使特定功能。而染色質(zhì)上的各種組蛋白修飾是非常典型的一類可調(diào)控的多價(jià)體系，且存在大量類似無(wú)膜細(xì)胞器的區(qū)室，核小體上的組蛋白修飾或修飾的組合對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的維持和調(diào)控起決定性作用。”

他認(rèn)為，染色質(zhì)上的這些無(wú)膜細(xì)胞器也可能是通過(guò)多價(jià)的“組蛋白密碼”和多價(jià)的閱讀結(jié)構(gòu)域的互作所介導(dǎo)的“相變”而形成的。

這也意味著，李丕龍團(tuán)隊(duì)將以一個(gè)全新的視角，審視一個(gè)表觀遺傳學(xué)里的經(jīng)典問(wèn)題。從多價(jià)互作介導(dǎo)的“液-液分離相變”這一最近10年內(nèi)被逐步證實(shí)在細(xì)胞中普遍存在的基本物理現(xiàn)象的角度，研究多價(jià)H3K9me3/多價(jià)CD互作在組成型異染色質(zhì)形成和維持過(guò)程中的重要作用，從而揭示組成型異染色質(zhì)的組裝、成分組成、動(dòng)態(tài)特性和調(diào)控關(guān)系等更深入的分子機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，引申出組蛋白修飾與多價(jià)“閱讀器”互作所介導(dǎo)的相變是染色質(zhì)上產(chǎn)生大量區(qū)室的全新分子機(jī)理。

李丕龍說(shuō)，若這一課題被攻克，相變或?qū)槿旧|(zhì)生物學(xué)提供新的理論基礎(chǔ)，為理解發(fā)育、疾病及疾病防治提供全新的思路，解讀生命的密碼將被打開(kāi)。

從事相變相關(guān)研究工作多年，李丕龍已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。他說(shuō)，如今團(tuán)隊(duì)的所有成員都參與相變相關(guān)的研究工作，已熟練掌握相關(guān)的理論和技術(shù)，將繼續(xù)引領(lǐng)相變領(lǐng)域的前沿并緊密結(jié)合其他領(lǐng)域的前沿，并在不同項(xiàng)目上實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展。

科研人的“使命感”促使一路前行

自2016年回國(guó)至今，李丕龍馬不停蹄地參與各項(xiàng)學(xué)術(shù)交流——2018年10月應(yīng)邀參加“第六屆細(xì)胞動(dòng)力學(xué)和化學(xué)生物學(xué)國(guó)際研討會(huì)暨第三屆美國(guó)細(xì)胞生物學(xué)會(huì)中國(guó)會(huì)議”并作學(xué)術(shù)報(bào)告；2019年1月，應(yīng)邀參加了香港舉辦的“香港科技大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合研討會(huì)”并應(yīng)邀在會(huì)議上作報(bào)告；4月應(yīng)邀在美國(guó)舉行的keystone學(xué)術(shù)交流會(huì)上作了題為“Phase transition in heterochromatin formation and dissolution”的學(xué)術(shù)報(bào)告。

2019年5月，他又作為發(fā)起者之一組織了“2019年第一屆相分離研究前沿論壇”，旨在促進(jìn)國(guó)內(nèi)凝聚體（相分離）領(lǐng)域的合作與交流，使更多從事相關(guān)研究的科學(xué)家緊跟科學(xué)前沿并有所創(chuàng)新。來(lái)自國(guó)內(nèi)十多個(gè)頂尖高校的數(shù)十位專家參與了這一次論壇，在研究會(huì)議中，由于嚴(yán)格要求將沒(méi)有發(fā)表的相分離領(lǐng)域的研究進(jìn)行分享，許多報(bào)告人甚至直接分享了最原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)分享了后期的計(jì)劃和猜想，成為國(guó)內(nèi)相分離科研領(lǐng)域的一大盛事。

會(huì)議中，研究者涉及的議題涵蓋了國(guó)內(nèi)當(dāng)前相分離研究領(lǐng)域最具代表性的成果，如相分離與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控、相分離與表觀遺傳、相分離與蛋白質(zhì)翻譯后修飾、相分離與經(jīng)典信號(hào)通路、應(yīng)激顆粒、相分離蛋白篩選芯片、相分離與生物力學(xué)、相分離與計(jì)算機(jī)模擬、相分離與核酸、相分離與植物學(xué)、相分離與神經(jīng)生物學(xué)、相分離與腫瘤發(fā)生、相分離與脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、相分離與免疫等。該系列論壇今后將會(huì)持續(xù)舉辦，旨在努力推動(dòng)國(guó)內(nèi)凝聚體相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

2019年7月，李丕龍應(yīng)邀在云南大學(xué)舉辦的“第一屆中國(guó)細(xì)胞生物學(xué)學(xué)會(huì)細(xì)胞器分會(huì)學(xué)術(shù)研討會(huì)”上作了報(bào)告，深入淺出地介紹了其在體外系統(tǒng)研究相變領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性科研成果，為參會(huì)的師生深入理解生物大分子的動(dòng)態(tài)變化與生理學(xué)功能提供了新的研究思路。

李丕龍期望將這一種開(kāi)放而熱烈的學(xué)術(shù)氛圍擴(kuò)展到更大的層面?；厮菟约旱膶W(xué)術(shù)歷程，1996年考入北京大學(xué)生物技術(shù)系就讀本科，隨后到香港科技大學(xué)攻讀碩士研究生，碩士畢業(yè)后，他又抓住機(jī)會(huì)申請(qǐng)到美國(guó)西南醫(yī)學(xué)中心深造，在那里，有著無(wú)數(shù)頂尖的科學(xué)家們醉心于科研，這讓李丕龍深受熏陶，眼界也大大開(kāi)闊，這種熏陶也讓李丕龍一直堅(jiān)定地在生物科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的研究中不斷前行。

國(guó)外濃厚的學(xué)術(shù)氛圍是他多年留美的最大收獲，所在學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)特別強(qiáng)調(diào)對(duì)基礎(chǔ)研究上的跨學(xué)科研究和交流。李丕龍說(shuō)，他曾就讀的美國(guó)西南醫(yī)學(xué)中心，就經(jīng)常邀請(qǐng)世界上各個(gè)領(lǐng)域的著名科學(xué)家來(lái)交流，這樣的學(xué)術(shù)氛圍讓他受益匪淺。

如今，李丕龍?jiān)趪?guó)內(nèi)的高校同樣感受到了這樣的氛圍，但他也不諱言說(shuō)，許多學(xué)生主動(dòng)交流的欲望還不夠。他經(jīng)常告訴自己的學(xué)生們，他能夠走到今天要?dú)w功于他自己的主動(dòng)學(xué)習(xí)。

“我們有資源，但是這種氣氛還沒(méi)完全起來(lái)。清華、北大等高校的學(xué)生都應(yīng)該樹(shù)立一種意識(shí)，那就是如果他們想在科研領(lǐng)域走得更遠(yuǎn)，就需要不止于利用自己所在的實(shí)驗(yàn)室和附近實(shí)驗(yàn)室的資源，而是要利用整個(gè)學(xué)校能夠提供的資源?！?/p>

從美國(guó)回到清華大學(xué)后，李丕龍已經(jīng)開(kāi)始做更多的研究和嘗試。如今，在他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)中，有2名助理研究員、4名博士后、12名博士生及技術(shù)員若干。團(tuán)隊(duì)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，意味著可以做更多的創(chuàng)新研究。

作為團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，李丕龍認(rèn)為自己只要把握好大方向，其他的應(yīng)放手讓學(xué)生和團(tuán)隊(duì)成員去創(chuàng)新。

“如果想要進(jìn)一步發(fā)展，就必須學(xué)會(huì)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題?！崩钬堈f(shuō)，在博士和博士后期間，有一半的課題是他自己開(kāi)發(fā)的，與導(dǎo)師關(guān)系不大。他希望自己帶出來(lái)的研究生或者指導(dǎo)的博士后也具備這樣的能力，否則在科研的道路上走不遠(yuǎn)。

李丕龍?jiān)诳蒲蟹较蛏嫌兄鴱V泛的興趣，“好奇心極重”，不斷去思考新的課題，而這往往能夠帶來(lái)創(chuàng)新。他認(rèn)為，不能把所有的資源放在已立項(xiàng)的研究中，項(xiàng)目立項(xiàng)就等于已經(jīng)定下來(lái)了，框架已經(jīng)鎖定。他常提醒自己，科研人員要保持足夠的創(chuàng)新力，就要好好利用許多可以“自由發(fā)揮”的項(xiàng)目，這樣一定能夠有一些意想不到的重要發(fā)現(xiàn)。

盡管自己做的是基礎(chǔ)研究方面的創(chuàng)新，但李丕龍卻認(rèn)為，基礎(chǔ)研究離實(shí)際應(yīng)用其實(shí)并不遙遠(yuǎn)。他認(rèn)為，許多基礎(chǔ)研究的成果都可以更加廣泛地服務(wù)于實(shí)際應(yīng)用。

對(duì)自己在“相分離”領(lǐng)域中的突破性創(chuàng)新，李丕龍認(rèn)為，創(chuàng)新的動(dòng)力正是來(lái)自一名科研人員的使命感和責(zé)任感。他常跟實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生說(shuō)“這是歷史選擇了我們，讓我們負(fù)重前行，我們就要盡量去做好”。

李丕龍說(shuō)，他的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃目標(biāo)將繼續(xù)致力于發(fā)掘相分離在細(xì)胞生命活動(dòng)中（包括正常生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程及病理過(guò)程中）扮演的角色，以期從相分離這個(gè)全新的角度解讀細(xì)胞生命周期中一些未解之謎，為治療因相分離異常所導(dǎo)致的相關(guān)疾病提供新的線索。

專家簡(jiǎn)介

李丕龍，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員，清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心PI。2000年畢業(yè)于北京大學(xué)并取得學(xué)士學(xué)位，2002年獲得香港科技大學(xué)碩士學(xué)位，隨后前往德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心攻讀博士學(xué)位，并于2009年取得博士學(xué)位。2009年至2015年期間分別在德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心和賓夕法尼亞大學(xué)從事博士后研究工作。

李丕龍致力于研究相分離在生物自噬、轉(zhuǎn)錄調(diào)控及表觀遺傳等領(lǐng)域的生物學(xué)意義，獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家青年人才計(jì)劃以及清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新基金等多項(xiàng)基金的資助，研究成果陸續(xù)發(fā)表于Nature（2019年）、Cell Research（2018、2019年）及Molecular Cell（2019年）等高水平生物學(xué)期刊上，已申請(qǐng)7個(gè)國(guó)內(nèi)專利，同時(shí)擔(dān)任Science、Molecular Cell、Nature Cell Biology、Nature Microbiology等10多家頂尖雜志的審稿人。