我們在此前的文章中詳細介紹了這十年來(lái)無(wú)膜細胞器領(lǐng)域的發(fā)展狀況。從2009年第一篇報道無(wú)膜細胞器流體特性的文章開(kāi)始，越來(lái)越多有關(guān)無(wú)膜細胞器的生物物理學(xué)特性被發(fā)掘出來(lái)。同時(shí)也有大量文獻表明，無(wú)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(zhù)密切的聯(lián)系。

       基于無(wú)膜細胞器的種種特性，已經(jīng)有初創(chuàng )公司開(kāi)始向這一領(lǐng)域布局，各大跨國藥企也在對這一領(lǐng)域保持密切關(guān)注。然而在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的同時(shí)，無(wú)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(shù)手段。

       初創(chuàng )公司起步，藥企密切關(guān)注

       藥物研發(fā)者們已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注到這一點(diǎn)。Dewpoint Therapeutics于1月份成立，是第一家公開(kāi)在此領(lǐng)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(guān)注。“這是一個(gè)非常有意思的基礎生物學(xué)的領(lǐng)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(shuō)。默沙東近期剛剛協(xié)辦了一場(chǎng)專(zhuān)門(mén)針對無(wú)膜細胞器的紐約科學(xué)院研討會(huì )。

       Dewpoint的CSO Mark Murcko補充說(shuō)，這一領(lǐng)域潛藏著(zhù)巨大的機會(huì )。“當我們了解了這些凝聚物如何起效時(shí)，我們可以再去看一下以前那些大家都關(guān)注過(guò)卻未能成藥的靶點(diǎn)。我們可以提個(gè)問(wèn)題，'好吧，既然我們現在有了這種全新的視角，那么是不是可以通過(guò)不同的思考方式，讓這個(gè)靶點(diǎn)變得更聽(tīng)話(huà)一些？'“

       有很多未解決的問(wèn)題還需要研發(fā)者們考慮。如果有潛力的靶點(diǎn)聚集在生物分子凝聚物中會(huì )發(fā)生什么？藥物擴散到這些無(wú)膜細胞器中能否正常起效？以及，小分子是否會(huì )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(xué)那么博大精深，但還是有許多未知因素。”普林斯頓大學(xué)的生物物理工程師Cliff Brangwynne說(shuō)到。正是他的工作喚起了人們對液-液相分離和無(wú)膜細胞器的興趣。

       “你不會(huì )想要轉身背離這些東西以無(wú)視他們，因為它很可能會(huì )一直在你身后偷悄悄地跟著(zhù)你。”諾華生物醫學(xué)研究所的藥物化學(xué)家Derek Lowe補充說(shuō)。他也正密切關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域。

       在藥物開(kāi)發(fā)計劃方面，腫瘤學(xué)有著(zhù)最直接的應用途徑。雖然藥物化學(xué)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來(lái)殺死癌細胞。“說(shuō)實(shí)話(huà)作為一名藥物化學(xué)家，我并不為此感到驕傲。但比起讓一個(gè)東西變得更好，毀掉一個(gè)東西確實(shí)更加容易。如果你只是想要往凝聚情況里丟進(jìn)一只拿著(zhù)扳手的猴子來(lái)搞亂它，那么腫瘤學(xué)正是你想要的地方。”Lowe說(shuō)。

       Taylor說(shuō)，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(guān)注。例如，傳染病病原體可以利用生物分子凝聚物來(lái)促進(jìn)其復制周期，并且相變似乎也會(huì )影響調節著(zhù)先天免疫的信號轉導過(guò)程。他說(shuō)：“雖然有關(guān)這些的證據還不如神經(jīng)退行性疾病和癌癥充分，但我認為這些證據正在逐步浮出水面。”

       前路漫漫，但仍要保持信心

       一些研究人員仍有一些疑問(wèn)。在體外系統中用經(jīng)過(guò)純化的凝聚物完成的研究，是否也能在體內模型中實(shí)現？這些與疾病之間的關(guān)聯(lián)有直接的因果關(guān)系嗎？以及，凝聚物是否可能只是一種沒(méi)有真正的作用的生物物理現象，而不是重要的細胞結構？

       Hyman和Rosen在2017年的一篇有關(guān)無(wú)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。”他們與同事們在文章中寫(xiě)到。“干擾凝聚物引起的表型相當微妙。我們也仍未發(fā)現這些結構對于細胞或生物體的生存有重要作用。”換句話(huà)說(shuō)，這個(gè)領(lǐng)域還很年輕。

       但Taylor確信凝聚物的病理學(xué)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(mǎn)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(shí)，他指出了未來(lái)的兩個(gè)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(huì )通過(guò)影響這些蛋白的穩定性，來(lái)影響這些蛋白形成凝聚物的能力。然而長(cháng)久以來(lái)，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控機制入手。ATP酶，解旋酶和泛素化酶，也就是那些控制著(zhù)凝聚物組分蛋白表達后修飾的蛋白，似乎對液-液相動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。但是是否存在一個(gè)只會(huì )影響疾病相關(guān)組分的目標物仍有待商榷。冗余的調節機制是否會(huì )使問(wèn)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(kāi)放。“考慮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(lái)說(shuō)才是最有價(jià)值的選項。”Murcko說(shuō)。

       他補充說(shuō)，其實(shí)有關(guān)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(gè)關(guān)于IDRs變形蛋白文獻的文件夾已經(jīng)有超過(guò)15年了。“每次我看到關(guān)于這個(gè)主題的論文，我都會(huì )讀它，然后我都會(huì )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(shuō)，他在整個(gè)職業(yè)生涯中都在利用蛋白質(zhì)結構來(lái)設計更好的藥物。“現在，我們對于這些IDRs到底用來(lái)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(jìn)展緩慢。“這可真是太難了，”Lowe說(shuō)，“難到可以讓一個(gè)男人膽戰心驚。”但是Murcko表示，總還是有些數據讓人保持樂(lè )觀(guān)。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(zhù)技術(shù)手段的進(jìn)步，研究進(jìn)展會(huì )越來(lái)越深入

       無(wú)論藥物研究者們決定往哪個(gè)方向發(fā)展，他們都需要各種各樣的工具來(lái)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(xué)特性，而且還必須使用先進(jìn)的成像技術(shù)來(lái)從相關(guān)的細胞中捕捉到能夠調控這些過(guò)程的小分子。

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

       交聯(lián)質(zhì)譜等新技術(shù)已經(jīng)被用于研究凝聚物成分中單個(gè)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(guān)察無(wú)膜細胞器的形成并捕捉到干擾這些動(dòng)態(tài)的小分子。但是這個(gè)領(lǐng)域仍然需要更多更好的技術(shù)。

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

       Brangwynne現在專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)可以控制細胞內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區域與來(lái)自其他蛋白的光依賴(lài)性寡聚化結構域結合成融合蛋白。通過(guò)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。在光照結束后，成型的凝聚物則會(huì )逐步分解。Taylor在Brangwynne的基礎上創(chuàng )建了另一項技術(shù)，另一種誘導無(wú)膜細胞器組裝的方法。

       “沒(méi)有人真正在量化思考管理我們細胞內部組織的規則。他們只是觀(guān)察到了一些小液滴并把它稱(chēng)為為相分離。我覺(jué)得這十分危險。”Brangwynne說(shuō)，“這項技術(shù)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(lái)說(shuō)，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(guò)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)現方面的應用。他表示投資者和生物技術(shù)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(huà)，用以強調工具開(kāi)發(fā)的重要性。“科學(xué)進(jìn)步取決于新技術(shù)，新發(fā)現和新想法，而且要按照這種順序。”

       藥物研發(fā)將隨著(zhù)這一領(lǐng)域的逐步深入發(fā)生變化

       藥物研發(fā)者們從來(lái)沒(méi)有明確地掌握過(guò)一個(gè)小分子進(jìn)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在，這些對細胞組織原理的新發(fā)現表明，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(jìn)的成像技術(shù)才能說(shuō)服自己它們真的存在，”Lowe說(shuō)。

       研究人員在工作的同時(shí)，一直在思考這一切對于藥物發(fā)現意味著(zhù)什么。哪些靶點(diǎn)能從無(wú)膜細胞器中找到？如果可能的話(huà)，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(huì )進(jìn)出這些結構，這會(huì )影響小分子的起效嗎？小分子能否有效的調節凝聚物的形成和功能？考慮到無(wú)膜細胞器的短時(shí)性和微小性，這些問(wèn)題都不會(huì )輕而易舉的被解答。

       除此之外，這個(gè)新領(lǐng)域也可能開(kāi)辟了一條**測試的新途徑。“我個(gè)人的觀(guān)點(diǎn)是，隨著(zhù)該領(lǐng)域的成熟，任何候選藥物都不應該輕易進(jìn)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。”Murcko說(shuō)。

       如同許多新興領(lǐng)域一樣，這個(gè)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。“這就像試圖抓住下落的刀子一樣，”Lowe說(shuō)。“在你拿起它之前，你可能想讓它在地板上掉落并振動(dòng)一秒鐘。但你不會(huì )想長(cháng)時(shí)間坐著(zhù)，眼睜睜的看著(zhù)其他人拿走所有的好東西。”

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