李丕龙：“相分离”打开生命的密码

倪海波

食用油滴在水中，由于油的强疏水性，两者会完全分离成两个独立的液态相：油相和水相，即使强烈震荡，两相依然互不相溶，只会使油在剪切力的作用下打散成为无数近乎完美球形的小油滴悬浮于水中，这是已经研究了上百年的物理化学领域中的“相分离”现象。

近10年来，生命科学领域中的“相分离”现象成为备受关注的新兴前沿领域。作为这一领域的重要奠基人之一，清华大学生命科学学院研究员李丕龙经过潜心研究，不仅证实了多价互作介导的“液-液分离相变”是细胞内无膜细胞器的重要形成机理，还发现选择性自噬通路里货物的富集是通过多泛素化链介导的“相变”实现的。

如今，他仍致力于研究相分离在生物自噬、转录调控及表观遗传等领域的生物学功能，他和团队将以一个全新的视角审视一个表观遗传学里的经典问题——染色质的形成机理究竟是什么？这一课题一旦突破，或将为染色质生物学提供新的理论基础，为理解发育、疾病及其防治提供全新的思路，生命的密码或将因此打开。

在李丕龙看来，科研上的“使命感”促使他在科研的道路上一直前行。他坚信，坚持往前走定能实现目标。

生物大分子“相变”揭示细胞内无膜细胞器形成机理

食用油滴在水中的“相变”现象，只是在日常生活中常见的一个案例。相变作为物质的一种特性（如水、冰和水蒸气三相之间的转换）在物理学界及日常生活中早已广为人知，在高分子化学和软物质物理等领域被研究已有近百年的历史。近些年的研究表明，相变在生命活动中同样发挥着至关重要的作用，微观细胞中，相变是以生物大分子“液-液分离相变”的形式发生的。

第一次明确提出细胞中存在“相变”现象的是德国马克斯·普朗克科学促进学会的生物学家Anthony A. Hyman及其同事。2009年，Hyman课题组首次报道线虫早期胚胎中的P颗粒（P Granule）为独立于液态细胞质的液相聚集体。随后Hyman和Brangwynne课题组又报道了爪蟾细胞的核仁是核质中一种独立的液态相。核仁和P颗粒属于细胞里无数无膜细胞器中的两种。但是这些无膜细胞器的成分十分复杂，直接研究这些液态相的形成机理很困难。

在Hyman等在细胞中观察并描述无膜细胞器的物理特性的同时，李丕龙正在美国德州大学西南医学中心的Michael K. Rosen实验室，研究一个与其截然不同的课题——由多价且有柔性的互作生物大分子形成的复合物的具体组成及稳定性。

李丕龙和團队发现，一些多价且有柔性的互作分子，例如，含有3个Src homology 3（SH3）结构域的Nck和含有6个SH3配体的N-WASP或含有4个RNA Recognition Motif（RRM）结构域的多聚嘧啶序列结合蛋白和含有5个RRM配体的RNA分子，在一定浓度下会形成高度动态的无限网状结构，在宏观上的体现就是，产生一个正常的溶液相和一个生物大分子（蛋白、RNA）富积且粘稠的液态相，这种现象被称为“液-液分离相变”。

其中，生物大分子富积且粘稠的液态相与P颗粒和核仁一样，其液滴呈球形，两个液滴接触后能融合，在剪切力的作用下能变形甚至断开，去除剪切力后，又能自动恢复成球形。上述P颗粒和核仁等无膜细胞器恰恰也富含多价且有柔性的互作蛋白及RNA，并且处于一个比周边细胞质或核质更加粘稠的状态。

鉴于体外“相变”产生的生物大分子富积的液态相与无膜细胞器的各种物理特性非常相似，并且两者组成成分的物理性质也很相似，因而李丕龙的研究与Hyman等的研究看似互不相关，却共同暗示多价互作介导的“液-液分离相变”正是细胞内无膜细胞器的重要形成机理。

这两个团队的研究成果对生物大分子相分离全新领域的开启发挥了关键作用，发表于国际顶级期刊如Nature、Science、Cell及其子刊的文章陆续证实，多种无膜细胞器具有与P颗粒、核仁一样的液态性质，是由“相变”介导形成的。例如，细胞质里的应激颗粒nuage；选择性自噬信号通路里的p62 body；细胞核里的DNA损伤修复位点PML body；T淋巴细胞膜上的T-细胞受体；神经元的突触后密集层（post synaptic density）等。

尤其重要的是，一些导致疾病（特别是神经/肌肉退行性疾病）的蛋白或核酸也能在体内体外发生“液-液分离相变”。这些液态相或者本身具有毒性或者可以进一步固化形成具有毒性的沉积。所以研究多价互作介导的“相变”会提高我们对这些蛋白或核酸的致病机理的理解，为相关疾病的有效干预及治疗提供全新思路。

作为多价互作介导“相变”成果的主要发现人之一，李丕龙从美国回来后加入清华大学，随后又与俞立课题组合作发现选择性自噬通路里货物的富集是通过多泛素化链介导的“相变”实现的。李丕龙团队的研究成果陆续发表于Nature（2019年）、Cell Research（2018、2019年）及Molecular Cell（2019年）等高水平生物学期刊上，并且已申请7个国内专利，1个国际专利正在申请中。

“相变”或将解开染色质形成机理

虽然相变在生物领域的研究起步较晚，但它刚崭露头角就引起了广泛关注。目前基于相变的蛋白互作及其调控方面的研究已经逐渐升温并在短期内成为生物学领域新的研究热点。

近几年来，相关的研究成果大都发表于世界顶级期刊（Nature、Cell、Science及其子刊等），为相关研究提供了可靠的理论依据和美好的前景展望。

在这个全新领域的起始和发展过程中，除李丕龙外，还有许多中国科学家，如香港科技大学张明杰教授，中国科学院的朱学良研究员、张宏研究员等，都做出了重要贡献，鉴定了一系列相变驱动的蛋白质机器，深入阐明了多种重要无膜细胞器的形成及可能的调控机制，获得了国际同行的广泛关注和认可。

“这一领域目前还只是揭开了冰山一角，刚刚被认识到，尽管研究这方面的文章有如雨后春笋，但细胞内相变的发生机制与调控机制，相变与疾病的关系等问题，还有待进一步研究，这个领域仍有很多有价值的东西，我们正在努力挖掘。”李丕龙说。

在首次发现生物大分子通过多价-多价互作（互作双方都有多个互作位点）会发生“液-液分离相变”（简称“相变”）后，很多研究表明“相变”是细胞内多种无膜细胞器的形成机制和发挥功能的基礎。异染色质是真核生物染色质的重要组成部分，对维持基因组的稳定性、调控基因转录等基本生命过程发挥着至关重要的作用。

长久以来，人们对异染色质的组成包括核小体修饰、DNA修饰、非组蛋白等成分已有了透彻的理解。然而，直至今日，异染色质的形成机制却不甚明了。

“和许多无膜细胞器类似，异染色质也是微米级的生物大分子聚合物，其标志性的组蛋白修饰多聚集在局部，以多价形式存在，已有的数据显示识别这些修饰的‘阅读器也多以多价状态发挥作用。”例如，异染色质核小体串上的H3K9me3与其“阅读器”——异染色质蛋白HP1就属于这种情况。H3K9me3在核小体串上呈天然多价状态，HP1中负责识别和结合H3K9me3的CD结构域也是多价的。于是他和团队成员提出了一个大胆的假设：或许，多价H3K9me3和多价CD互作介导的“液-液分离相变”是异染色质形成的重要机制。

这一课题或许比证实“生物大分子相变在细胞里是普遍存在的”更令李丕龙感到兴奋。“理论上讲，细胞里任何具有多价相互作用的体系都有可能通过相变行使特定功能。而染色质上的各种组蛋白修饰是非常典型的一类可调控的多价体系，且存在大量类似无膜细胞器的区室，核小体上的组蛋白修饰或修饰的组合对染色质结构的维持和调控起决定性作用。”

他认为，染色质上的这些无膜细胞器也可能是通过多价的“组蛋白密码”和多价的阅读结构域的互作所介导的“相变”而形成的。

这也意味着，李丕龙团队将以一个全新的视角，审视一个表观遗传学里的经典问题。从多价互作介导的“液-液分离相变”这一最近10年内被逐步证实在细胞中普遍存在的基本物理现象的角度，研究多价H3K9me3/多价CD互作在组成型异染色质形成和维持过程中的重要作用，从而揭示组成型异染色质的组装、成分组成、动态特性和调控关系等更深入的分子机制。在此基础上，引申出组蛋白修饰与多价“阅读器”互作所介导的相变是染色质上产生大量区室的全新分子机理。

李丕龙说，若这一课题被攻克，相变或将为染色质生物学提供新的理论基础，为理解发育、疾病及疾病防治提供全新的思路，解读生命的密码将被打开。

从事相变相关研究工作多年，李丕龙已经积累了丰富的经验。他说，如今团队的所有成员都参与相变相关的研究工作，已熟练掌握相关的理论和技术，将继续引领相变领域的前沿并紧密结合其他领域的前沿，并在不同项目上实现突破性进展。

科研人的“使命感”促使一路前行

自2016年回国至今，李丕龙马不停蹄地参与各项学术交流——2018年10月应邀参加“第六届细胞动力学和化学生物学国际研讨会暨第三届美国细胞生物学会中国会议”并作学术报告；2019年1月，应邀参加了香港举办的“香港科技大学-清华大学生命科学联合研讨会”并应邀在会议上作报告；4月应邀在美国举行的keystone学术交流会上作了题为“Phase transition in heterochromatin formation and dissolution”的学术报告。

2019年5月，他又作为发起者之一组织了“2019年第一届相分离研究前沿论坛”，旨在促进国内凝聚体（相分离）领域的合作与交流，使更多从事相关研究的科学家紧跟科学前沿并有所创新。来自国内十多个顶尖高校的数十位专家参与了这一次论坛，在研究会议中，由于严格要求将没有发表的相分离领域的研究进行分享，许多报告人甚至直接分享了最原始实验数据，同时分享了后期的计划和猜想，成为国内相分离科研领域的一大盛事。

会议中，研究者涉及的议题涵盖了国内当前相分离研究领域最具代表性的成果，如相分离与基因转录调控、相分离与表观遗传、相分离与蛋白质翻译后修饰、相分离与经典信号通路、应激颗粒、相分离蛋白筛选芯片、相分离与生物力学、相分离与计算机模拟、相分离与核酸、相分离与植物学、相分离与神经生物学、相分离与肿瘤发生、相分离与脂质转运、相分离与免疫等。该系列论坛今后将会持续举办，旨在努力推动国内凝聚体相关领域的发展。

2019年7月，李丕龙应邀在云南大学举办的“第一届中国细胞生物学学会细胞器分会学术研讨会”上作了报告，深入浅出地介绍了其在体外系统研究相变领域的开创性科研成果，为参会的师生深入理解生物大分子的动态变化与生理学功能提供了新的研究思路。

李丕龙期望将这一种开放而热烈的学术氛围扩展到更大的层面。回溯他自己的学术历程，1996年考入北京大学生物技术系就读本科，随后到香港科技大学攻读硕士研究生，硕士毕业后，他又抓住机会申请到美国西南医学中心深造，在那里，有着无数顶尖的科学家们醉心于科研，这让李丕龙深受熏陶，眼界也大大开阔，这种熏陶也让李丕龙一直坚定地在生物科学和生物医学的研究中不断前行。

国外浓厚的学术氛围是他多年留美的最大收获，所在学术机构特别强调对基础研究上的跨学科研究和交流。李丕龙说，他曾就读的美国西南医学中心，就经常邀请世界上各个领域的著名科学家来交流，这样的学术氛围让他受益匪浅。

如今，李丕龙在国内的高校同样感受到了这样的氛围，但他也不讳言说，许多学生主动交流的欲望还不够。他经常告诉自己的学生们，他能够走到今天要归功于他自己的主动学习。

“我们有资源，但是这种气氛还没完全起来。清华、北大等高校的学生都应该树立一种意识，那就是如果他们想在科研领域走得更远，就需要不止于利用自己所在的实验室和附近实验室的资源，而是要利用整个学校能够提供的资源。”

从美国回到清华大学后，李丕龙已经开始做更多的研究和尝试。如今，在他带领的团队中，有2名助理研究员、4名博士后、12名博士生及技术员若干。团队规模逐渐扩大，意味着可以做更多的创新研究。

作为团队负责人，李丕龙认为自己只要把握好大方向，其他的应放手让学生和团队成员去创新。

“如果想要进一步发展，就必须学会独立发现问题和解决问题。”李丕龙说，在博士和博士后期间，有一半的课题是他自己开发的，与导师关系不大。他希望自己帶出来的研究生或者指导的博士后也具备这样的能力，否则在科研的道路上走不远。

李丕龙在科研方向上有着广泛的兴趣，“好奇心极重”，不断去思考新的课题，而这往往能够带来创新。他认为，不能把所有的资源放在已立项的研究中，项目立项就等于已经定下来了，框架已经锁定。他常提醒自己，科研人员要保持足够的创新力，就要好好利用许多可以“自由发挥”的项目，这样一定能够有一些意想不到的重要发现。

尽管自己做的是基础研究方面的创新，但李丕龙却认为，基础研究离实际应用其实并不遥远。他认为，许多基础研究的成果都可以更加广泛地服务于实际应用。

对自己在“相分离”领域中的突破性创新，李丕龙认为，创新的动力正是来自一名科研人员的使命感和责任感。他常跟实验室的学生说“这是历史选择了我们，让我们负重前行，我们就要尽量去做好”。

李丕龙说，他的长远规划目标将继续致力于发掘相分离在细胞生命活动中（包括正常生长发育过程及病理过程中）扮演的角色，以期从相分离这个全新的角度解读细胞生命周期中一些未解之谜，为治疗因相分离异常所导致的相关疾病提供新的线索。

专家简介

李丕龙，清华大学生命科学学院研究员，清华-北大生命科学联合中心、北京结构生物学高精尖创新中心、北京生物结构前沿研究中心PI。2000年毕业于北京大学并取得学士学位，2002年获得香港科技大学硕士学位，随后前往德克萨斯大学西南医学中心攻读博士学位，并于2009年取得博士学位。2009年至2015年期间分别在德克萨斯大学西南医学中心和宾夕法尼亚大学从事博士后研究工作。

李丕龙致力于研究相分离在生物自噬、转录调控及表观遗传等领域的生物学意义，获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家青年人才计划以及清华大学结构生物学高精尖创新基金等多项基金的资助，研究成果陆续发表于Nature（2019年）、Cell Research（2018、2019年）及Molecular Cell（2019年）等高水平生物学期刊上，已申请7个国内专利，同时担任Science、Molecular Cell、Nature Cell Biology、Nature Microbiology等10多家顶尖杂志的审稿人。