李丕龍：“相分離”打開生命的密碼

倪海波

李丕龍參加2019中國細胞生物學學會細胞器分會學術研討會

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

近10年來，生命科學領域中的“相分離”現(xiàn)象成為備受關注的新興前沿領域。作為這一領域的重要奠基人之一，清華大學生命科學學院研究員李丕龍經過潛心研究，不僅證實了多價互作介導的“液-液分離相變”是細胞內無膜細胞器的重要形成機理，還發(fā)現(xiàn)選擇性自噬通路里貨物的富集是通過多泛素化鏈介導的“相變”實現(xiàn)的。

如今，他仍致力于研究相分離在生物自噬、轉錄調控及表觀遺傳等領域的生物學功能，他和團隊將以一個全新的視角審視一個表觀遺傳學里的經典問題——染色質的形成機理究竟是什么？這一課題一旦突破，或將為染色質生物學提供新的理論基礎，為理解發(fā)育、疾病及其防治提供全新的思路，生命的密碼或將因此打開。

在李丕龍看來，科研上的“使命感”促使他在科研的道路上一直前行。他堅信，堅持往前走定能實現(xiàn)目標。

生物大分子“相變”揭示細胞內無膜細胞器形成機理

食用油滴在水中的“相變”現(xiàn)象，只是在日常生活中常見的一個案例。相變作為物質的一種特性（如水、冰和水蒸氣三相之間的轉換）在物理學界及日常生活中早已廣為人知，在高分子化學和軟物質物理等領域被研究已有近百年的歷史。近些年的研究表明，相變在生命活動中同樣發(fā)揮著至關重要的作用，微觀細胞中，相變是以生物大分子“液-液分離相變”的形式發(fā)生的。

第一次明確提出細胞中存在“相變”現(xiàn)象的是德國馬克斯·普朗克科學促進學會的生物學家Anthony A. Hyman及其同事。2009年，Hyman課題組首次報道線蟲早期胚胎中的P顆粒（P Granule）為獨立于液態(tài)細胞質的液相聚集體。隨后Hyman和Brangwynne課題組又報道了爪蟾細胞的核仁是核質中一種獨立的液態(tài)相。核仁和P顆粒屬于細胞里無數(shù)無膜細胞器中的兩種。但是這些無膜細胞器的成分十分復雜，直接研究這些液態(tài)相的形成機理很困難。

在Hyman等在細胞中觀察并描述無膜細胞器的物理特性的同時，李丕龍正在美國德州大學西南醫(yī)學中心的Michael K.Rosen實驗室，研究一個與其截然不同的課題——由多價且有柔性的互作生物大分子形成的復合物的具體組成及穩(wěn)定性。

李丕龍和團隊發(fā)現(xiàn)，一些多價且有柔性的互作分子，例如，含有3個S r c homology 3（SH3）結構域的Nck和含有6個SH3配體的N-WASP或含有4個RNA Recognition Motif（RRM）結構域的多聚嘧啶序列結合蛋白和含有5個R R M配體的RNA分子，在一定濃度下會形成高度動態(tài)的無限網(wǎng)狀結構，在宏觀上的體現(xiàn)就是，產生一個正常的溶液相和一個生物大分子（蛋白、R N A）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，兩個液滴接觸后能融合，在剪切力的作用下能變形甚至斷開，去除剪切力后，又能自動恢復成球形。上述P顆粒和核仁等無膜細胞器恰恰也富含多價且有柔性的互作蛋白及R N A，并且處于一個比周邊細胞質或核質更加粘稠的狀態(tài)。

參加2019年第一屆相分離研究前沿論壇

鑒于體外“相變”產生的生物大分子富積的液態(tài)相與無膜細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也很相似，因而李丕龍的研究與Hyman等的研究看似互不相關，卻共同暗示多價互作介導的“液-液分離相變”正是細胞內無膜細胞器的重要形成機理。

這兩個團隊的研究成果對生物大分子相分離全新領域的開啟發(fā)揮了關鍵作用，發(fā)表于國際頂級期刊如Nature、Science、Cell及其子刊的文章陸續(xù)證實，多種無膜細胞器具有與P顆粒、核仁一樣的液態(tài)性質，是由“相變”介導形成的。例如，細胞質里的應激顆粒nuage；選擇性自噬信號通路里的p62 body；細胞核里的DNA損傷修復位點PML body；T淋巴細胞膜上的T-細胞受體；神經元的突觸后密集層（post synaptic density）等。

尤其重要的是，一些導致疾?。ㄌ貏e是神經/肌肉退行性疾?。┑牡鞍谆蚝怂嵋材茉隗w內體外發(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一步固化形成具有毒性的沉積。所以研究多價互作介導的“相變”會提高我們對這些蛋白或核酸的致病機理的理解，為相關疾病的有效干預及治療提供全新思路。

作為多價互作介導“相變”成果的主要發(fā)現(xiàn)人之一，李丕龍從美國回來后加入清華大學，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多泛素化鏈介導的“相變”實現(xiàn)的。李丕龍團隊的研究成果陸續(xù)發(fā)表于Nature（2019年）、Cell Research（2018、2019年）及Molecular Cell（2019年）等高水平生物學期刊上，并且已申請7個國內專利，1個國際專利正在申請中。

“相變”或將解開染色質形成機理

雖然相變在生物領域的研究起步較晚，但它剛嶄露頭角就引起了廣泛關注。目前基于相變的蛋白互作及其調控方面的研究已經逐漸升溫并在短期內成為生物學領域新的研究熱點。

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

在這個全新領域的起始和發(fā)展過程中，除李丕龍外，還有許多中國科學家，如香港科技大學張明杰教授，中國科學院的朱學良研究員、張宏研究員等，都做出了重要貢獻，鑒定了一系列相變驅動的蛋白質機器，深入闡明了多種重要無膜細胞器的形成及可能的調控機制，獲得了國際同行的廣泛關注和認可。

“這一領域目前還只是揭開了冰山一角，剛剛被認識到，盡管研究這方面的文章有如雨后春筍，但細胞內相變的發(fā)生機制與調控機制，相變與疾病的關系等問題，還有待進一步研究，這個領域仍有很多有價值的東西，我們正在努力挖掘?！崩钬堈f。

在首次發(fā)現(xiàn)生物大分子通過多價-多價互作（互作雙方都有多個互作位點）會發(fā)生“液-液分離相變”（簡稱“相變”）后，很多研究表明“相變”是細胞內多種無膜細胞器的形成機制和發(fā)揮功能的基礎。異染色質是真核生物染色質的重要組成部分，對維持基因組的穩(wěn)定性、調控基因轉錄等基本生命過程發(fā)揮著至關重要的作用。

長久以來，人們對異染色質的組成包括核小體修飾、D N A修飾、非組蛋白等成分已有了透徹的理解。然而，直至今日，異染色質的形成機制卻不甚明了。

“和許多無膜細胞器類似，異染色質也是微米級的生物大分子聚合物，其標志性的組蛋白修飾多聚集在局部，以多價形式存在，已有的數(shù)據(jù)顯示識別這些修飾的‘閱讀器’也多以多價狀態(tài)發(fā)揮作用?！崩?，異染色質核小體串上的H3K9m e3與其“閱讀器”——異染色質蛋白HP1就屬于這種情況。H3K9m e3在核小體串上呈天然多價狀態(tài)，HP1中負責識別和結合H3K9me3的CD結構域也是多價的。于是他和團隊成員提出了一個大膽的假設：或許，多價H3K9me3和多價CD互作介導的“液-液分離相變”是異染色質形成的重要機制。

這一課題或許比證實“生物大分子相變在細胞里是普遍存在的”更令李丕龍感到興奮?！袄碚撋现v，細胞里任何具有多價相互作用的體系都有可能通過相變行使特定功能。而染色質上的各種組蛋白修飾是非常典型的一類可調控的多價體系，且存在大量類似無膜細胞器的區(qū)室，核小體上的組蛋白修飾或修飾的組合對染色質結構的維持和調控起決定性作用?！?/p>

他認為，染色質上的這些無膜細胞器也可能是通過多價的“組蛋白密碼”和多價的閱讀結構域的互作所介導的“相變”而形成的。

這也意味著，李丕龍團隊將以一個全新的視角，審視一個表觀遺傳學里的經典問題。從多價互作介導的“液－液分離相變”這一最近10年內被逐步證實在細胞中普遍存在的基本物理現(xiàn)象的角度，研究多價H3K9m e3/多價C D互作在組成型異染色質形成和維持過程中的重要作用，從而揭示組成型異染色質的組裝、成分組成、動態(tài)特性和調控關系等更深入的分子機制。在此基礎上，引申出組蛋白修飾與多價“閱讀器”互作所介導的相變是染色質上產生大量區(qū)室的全新分子機理。

李丕龍說，若這一課題被攻克，相變或將為染色質生物學提供新的理論基礎，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。

從事相變相關研究工作多年，李丕龍已經積累了豐富的經驗。他說，如今團隊的所有成員都參與相變相關的研究工作，已熟練掌握相關的理論和技術，將繼續(xù)引領相變領域的前沿并緊密結合其他領域的前沿，并在不同項目上實現(xiàn)突破性進展。

科研人的“使命感”促使一路前行

團隊合影

自2016年回國至今，李丕龍馬不停蹄地參與各項學術交流——2018年10月應邀參加“第六屆細胞動力學和化學生物學國際研討會暨第三屆美國細胞生物學會中國會議”并作學術報告；2019年1月，應邀參加了香港舉辦的“香港科技大學-清華大學生命科學聯(lián)合研討會”并應邀在會議上作報告；4月應邀在美國舉行的keystone學術交流會上作了題為“Phase transition in heterochromatin formation and dissolution”的學術報告。

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”，旨在促進國內凝聚體（相分離）領域的合作與交流，使更多從事相關研究的科學家緊跟科學前沿并有所創(chuàng)新。來自國內十多個頂尖高校的數(shù)十位專家參與了這一次論壇，在研究會議中，由于嚴格要求將沒有發(fā)表的相分離領域的研究進行分享，許多報告人甚至直接分享了最原始實驗數(shù)據(jù)，同時分享了后期的計劃和猜想，成為國內相分離科研領域的一大盛事。

會議中，研究者涉及的議題涵蓋了國內當前相分離研究領域最具代表性的成果，如相分離與基因轉錄調控、相分離與表觀遺傳、相分離與蛋白質翻譯后修飾、相分離與經典信號通路、應激顆粒、相分離蛋白篩選芯片、相分離與生物力學、相分離與計算機模擬、相分離與核酸、相分離與植物學、相分離與神經生物學、相分離與腫瘤發(fā)生、相分離與脂質轉運、相分離與免疫等。該系列論壇今后將會持續(xù)舉辦，旨在努力推動國內凝聚體相關領域的發(fā)展。

2019年7月，李丕龍應邀在云南大學舉辦的“第一屆中國細胞生物學學會細胞器分會學術研討會”上作了報告，深入淺出地介紹了其在體外系統(tǒng)研究相變領域的開創(chuàng)性科研成果，為參會的師生深入理解生物大分子的動態(tài)變化與生理學功能提供了新的研究思路。

李丕龍期望將這一種開放而熱烈的學術氛圍擴展到更大的層面?；厮菟约旱膶W術歷程，1996年考入北京大學生物技術系就讀本科，隨后到香港科技大學攻讀碩士研究生，碩士畢業(yè)后，他又抓住機會申請到美國西南醫(yī)學中心深造，在那里，有著無數(shù)頂尖的科學家們醉心于科研，這讓李丕龍深受熏陶，眼界也大大開闊，這種熏陶也讓李丕龍一直堅定地在生物科學和生物醫(yī)學的研究中不斷前行。

國外濃厚的學術氛圍是他多年留美的最大收獲，所在學術機構特別強調對基礎研究上的跨學科研究和交流。李丕龍說，他曾就讀的美國西南醫(yī)學中心，就經常邀請世界上各個領域的著名科學家來交流，這樣的學術氛圍讓他受益匪淺。

如今，李丕龍在國內的高校同樣感受到了這樣的氛圍，但他也不諱言說，許多學生主動交流的欲望還不夠。他經常告訴自己的學生們，他能夠走到今天要歸功于他自己的主動學習。

“我們有資源，但是這種氣氛還沒完全起來。清華、北大等高校的學生都應該樹立一種意識，那就是如果他們想在科研領域走得更遠，就需要不止于利用自己所在的實驗室和附近實驗室的資源，而是要利用整個學校能夠提供的資源?！?/p>

從美國回到清華大學后，李丕龍已經開始做更多的研究和嘗試。如今，在他帶領的團隊中，有2名助理研究員、4名博士后、12名博士生及技術員若干。團隊規(guī)模逐漸擴大，意味著可以做更多的創(chuàng)新研究。

作為團隊負責人，李丕龍認為自己只要把握好大方向，其他的應放手讓學生和團隊成員去創(chuàng)新。

“如果想要進一步發(fā)展，就必須學會獨立發(fā)現(xiàn)問題和解決問題?！崩钬堈f，在博士和博士后期間，有一半的課題是他自己開發(fā)的，與導師關系不大。他希望自己帶出來的研究生或者指導的博士后也具備這樣的能力，否則在科研的道路上走不遠。

李丕龍在科研方向上有著廣泛的興趣，“好奇心極重”，不斷去思考新的課題，而這往往能夠帶來創(chuàng)新。他認為，不能把所有的資源放在已立項的研究中，項目立項就等于已經定下來了，框架已經鎖定。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研究方面的創(chuàng)新，但李丕龍卻認為，基礎研究離實際應用其實并不遙遠。他認為，許多基礎研究的成果都可以更加廣泛地服務于實際應用。

對自己在“相分離”領域中的突破性創(chuàng)新，李丕龍認為，創(chuàng)新的動力正是來自一名科研人員的使命感和責任感。他常跟實驗室的學生說“這是歷史選擇了我們，讓我們負重前行，我們就要盡量去做好”。

李丕龍說，他的長遠規(guī)劃目標將繼續(xù)致力于發(fā)掘相分離在細胞生命活動中（包括正常生長發(fā)育過程及病理過程中）扮演的角色，以期從相分離這個全新的角度解讀細胞生命周期中一些未解之謎，為治療因相分離異常所導致的相關疾病提供新的線索。