细胞是生命的基本单位。为了维持有序的生命活动，细胞进化出了各种有膜细胞器——比如线粒体、高尔基体——它们就像一个个有墙的“小房间”，把不同的化学反应隔开，互不干扰。

但科学家们在显微镜下观察细胞时，发现了一些没有膜包裹的结构，比如核仁、应激颗粒等。它们像细胞内的“无膜岛屿”，能稳定存在，还能选择性富集特定分子，却不受膜的限制。这些结构是如何形成并维持的？这个谜题，困扰了生物学家很多年。

图1 有膜细胞器与无膜细胞器

（Li Y, Liu Y, Yu XY, et al. Signal Transduct Target Ther. 2024;9(1):305.）

2009年，一个关键发现改变了这一局面。Tony Hyman和Cliff Brangwynne团队在观察线虫胚胎时发现，细胞内的P颗粒像熔岩灯里的油滴一样，会互相碰撞、融合。他们意识到，这正是物理学中的“相分离”现象。随后，该团队在《科学》杂志发表论文，首次将相分离概念引入细胞生物学，为理解无膜细胞器的形成机制奠定了基石。

图2 P颗粒是受控溶解/凝聚定位的液滴

（Brangwynne CP, Eckmann CR, Courson DS, et al. Science. 2009;324(5935):1729-1732.）

其实，早在1899年，科学家Edmund Beecher Wilson就曾猜想细胞质可能是“液体的混合物”。但这个猜想沉睡了一个多世纪，直到2009年才被证实液-液相分离（liquid-liquid phase separation，LLPS）可能是各种无膜细胞器组织的基础。2012年，两个独立团队分别在试管中重现了相分离过程，使这一现象从“只能看”走向“可以研究、可以操作”。如今，相分离已被证明参与转录、信号传导、自噬等多种生命过程，并与癌症、神经退行性疾病等密切相关。

图3 LLPS的发现与发展

（Wang B, Zhang L, Dai T, et al. Signal Transduct Target Ther. 2021;6(1):290.）

截至2025年，相分离相关研究论文数量呈指数级增长。2023年的生命科学突破奖与2024年的拉斯克医学奖均授予了相分离领域的重要贡献者，彰显了科学界对这一研究方向的高度重视。

图4 LLPS相关文章数量

那么，相分离在分子层面是如何实现的？

答案的核心在于“多价性”。 可以这样理解：一个分子有很多只“手”，可以同时抓住多个其他分子。虽然每只“手”抓得不是很紧，但很多只手一起抓，就能形成稳定的网络，最终导致宏观的相分离。

图5 相分离的分子密码：多价性

（Mitrea DM, Mittasch M, Gomes BF, Klein IA, Murcko MA. Nat Rev Drug Discov. 2022;21(11):841-862.）

多价性的来源主要有三种：一是模块化结构域（如SH3、PDZ结构域的串联）；二是内在无序区中重复出现的短线性基序；三是蛋白质自身的寡聚化（如形成二聚体、四聚体）。

图6 多价相互作用的不同模式

（Banani SF, Lee HO, Hyman AA, Rosen MK. Nat Rev Mol Cell Biol. 2017;18(5):285-298.）

内在无序区（IDR）是相分离的另一重要驱动力。这些区域缺乏稳定的三维结构，高度柔性，如同柔软的触手，可以灵活地和其他分子互动。它们的序列中往往富含特定氨基酸，如甘氨酸（提供柔性）、丝氨酸和谷氨酰胺（提供极性）、酪氨酸和苯丙氨酸（参与π-π堆积）、精氨酸（带正电）等。 

图7 内在无序区（intrinsically disordered region, IDR）

（Hirose T, Ninomiya K, Nakagawa S, Yamazaki T. Nat Rev Mol Cell Biol. 2023;24(4):288-304.）

这些无序区就像“分子胶水”，通过“粘附点-间隔区”模型发挥作用：粘附点残基负责相互作用，间隔区则决定凝聚体的动态特性和物理性质。 

图8 Sticker-and-Spacer模型

（Ginell GM, Holehouse AS. Methods Mol Biol. 2023;2563:95-116.）

驱动相分离的微观作用力多种多样，包括疏水作用、静电相互作用、π-π堆积、阳离子-π相互作用等。这些力单独作用时很弱，但成千上万个协同作用，便足以驱动相分离发生。

核酸在相分离中也扮演着重要角色。RNA或DNA可以作为多价支架，结合多个蛋白质；也可以作为变构调节剂，改变蛋白质构象，从而促进或抑制相分离。有趣的是，RNA浓度对相分离具有复杂的“重入”效应：低浓度促进相分离，高浓度反而抑制。这恰如调味——适量的盐使菜肴更加美味，过量则适得其反。 

图9 RNA浓度对相分离有复杂的“重入”（reentrant）调控效应

（Wadsworth GM, Srinivasan S, Lai LB, Datta M, Gopalan V, Banerjee PR. Mol Cell. 2024;84(19):3692-3705.）

相分离还受到多种因素的调控：离子强度、pH值、温度、ATP浓度等生化条件均可影响其动态过程。此外，磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化等翻译后修饰可改变蛋白质的电荷状态或结构构象，精细调控相分离的发生和解离。

图10 生物分子相分离调控机制中内在与外在因素的综合概述

（Hu L, Huang Z, Liu Z, Zhang Y. Mol Cancer. 2025;24(1):220.）

值得注意的是，相分离是一种高度动态的现象。除了常见的液滴状态，它还可转变为凝胶状态，甚至进一步发生液-固转化。 

图11 相分离是一种高度动态的现象

（Mitrea DM, Mittasch M, Gomes BF, Klein IA, Murcko MA. Nat Rev Drug Discov. 2022;21(11):841-862.）

这种动态平衡一旦被打破，液滴可能发生不可逆的液-固转化，进而导致疾病。例如，FUS蛋白的突变会加速其从动态液滴向固态纤维的转变，从而引发肌萎缩侧索硬化（ALS）等疾病。 

图12 液-固转化会导致疾病发生

（Patel A, Lee HO, Jawerth L, et al. Cell. 2015;162(5):1066-1077.）

参考文献

• 1. Li Y, Liu Y, Yu XY, et al. Membraneless organelles in health and disease: exploring the molecular basis, physiological roles and pathological implications. Signal Transduct Target Ther. 2024;9(1):305.

• 2. Brangwynne CP, Eckmann CR, Courson DS, et al. Germline P granules are liquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation. Science. 2009;324(5935):1729-1732.

• 3. Wang B, Zhang L, Dai T, et al. Liquid-liquid phase separation in human health and diseases. Signal Transduct Target Ther. 2021;6(1):290.

• 4. Mitrea DM, Mittasch M, Gomes BF, Klein IA, Murcko MA. Modulating biomolecular condensates: a novel approach to drug discovery. Nat Rev Drug Discov. 2022;21(11):841-862.

• 5. Banani SF, Lee HO, Hyman AA, Rosen MK. Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry. Nat Rev Mol Cell Biol. 2017;18(5):285-298. 

• 6. Hirose T, Ninomiya K, Nakagawa S, Yamazaki T. A guide to membraneless organelles and their various roles in gene regulation. Nat Rev Mol Cell Biol. 2023;24(4):288-304.

• 7. Ginell GM, Holehouse AS. An Introduction to the Stickers-and-Spacers Framework as Applied to Biomolecular Condensates. Methods Mol Biol. 2023;2563:95-116.

• 8. Wadsworth GM, Srinivasan S, Lai LB, Datta M, Gopalan V, Banerjee PR. RNA-driven phase transitions in biomolecular condensates. Mol Cell. 2024;84(19):3692-3705.

• 9. Hu L, Huang Z, Liu Z, Zhang Y. Biomolecular phase separation in tumorigenesis: from aberrant condensates to therapeutic vulnerabilities. Mol Cancer. 2025;24(1):220.

• 10. Patel A, Lee HO, Jawerth L, et al. A Liquid-to-Solid Phase Transition of the ALS Protein FUS Accelerated by Disease Mutation. Cell. 2015;162(5):1066-1077.

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