2024年3月18日，我校生命科学与技术学院李一伟教授和刘笔锋教授团队在期刊Nature Chemistry《自然·化学》发表了题为“High-Throughput and Proteome-wide Discovery of Endogenous Biomolecular Condensates”的研究文章。同时，《自然·化学》在线发表题为“Identifying Phase Separating Biomolecular Condensates in Cells”的Research briefing（研究简报），对该研究成果进行了宣传报道和积极评价。该论文可以通过此链接查看https://rdcu.be/dBBy2。

华中科技大学生命学院李一伟教授和刘笔锋教授为论文的共同通讯作者，华中科技大学生命学院博士后李鹏杰和陈鹏副教授为论文共同第一作者。华中科技大学生命学院为第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金（32171248, 12102142, 22074047, 21775049, 31700746）、中央高校基本科研业务专项资金（2021GCRC056）的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41557-024-01485-1

相分离是是一种近似于油水分离，从单一均匀混合物产生两个不同的相的过程。这种过程也同时发生在生命系统的细胞内。生命通过细胞内的相分离过程在时间和空间上有序调控多种生物事件，如信号转导、基因表达等。研究表明，细胞内的无膜细胞器，生物分子凝聚体，通过相分离过程逐步形成。异常的相分离过程可导致病理凝聚体的形成，这与肿瘤进展和神经退行性疾病有关。因此，相分离蛋白质的鉴定对于研究基本生命过程、寻找疾病治疗药物新靶点具有重要意义。尽管已经有数百种相分离蛋白质被报道、数千种相分离蛋白质被预测，但是现有的成果大量依赖于体外纯化蛋白和过表达体系。甚至有计算表明，人类蛋白质组的40%都是相分离蛋白质；也有理论认为，任何支持多价（位点>=3）的蛋白质均可以发生相分离。事实上，由于相分离行为广泛存在于不同类型的蛋白质中，且极易受到细胞内微环境的影响，内源性表达的蛋白质，在何种细胞内、何种微环境下、何种刺激下会发生相分离才是生物学的关键问题。然而， 时至今日，细胞内源性的相分离蛋白质，几乎没有一个可行的方案实现组学水平的高通量鉴定，更缺乏有效手段用来鉴定生物过程响应的相分离蛋白质。

项目团队聚焦蛋白质相分离的本质行为，由于相分离过程中存在蛋白质分子间大量的可逆物理性弱相互作用，蛋白质的相分离行为广谱的受到分子浓度、分子拥挤程度的物理调节。基于此，该团队创造性的利用细胞体积挤压，促使细胞内水分外流，造成细胞内蛋白质浓度的升高和分子拥挤程度增加。细胞内正在相分离的蛋白质，或者在相分离条件边缘的蛋白质，感受到物理调控因子的影响，也将必然改变其相分离程度。为了高效捕获到相分离程度发生微弱变化的蛋白质，项目团队结合蔗糖密度梯度离心技术和定量质谱技术，将在细胞体积挤压（1分钟）前后发生寡聚程度变化的蛋白质进行组学水平的高通量鉴定，所鉴定出的蛋白质即为候选相分离蛋白质。通过该方法，我们鉴定了1454种在内源表达条件下会发生相分离蛋白质，其中包括现有已知11种主要无膜细胞器的932种已知相分离蛋白质，以及522种未报道的相分离蛋白质。由于我们采用的物理体积挤压的方法调控细胞，我们发现了1215种力学响应的内源性相分离蛋白质。

更重要的，该方法可以用于鉴定生物信号转导过程中，或其他生物学过程中发生相分离的蛋白质。以TGF-β信号通路为例，该方法可以有效区分信号通路传导过程中的相分离蛋白质（TGF-β刺激40分钟内，75种响应相分离蛋白）和长程目标基因表达乃至细胞命运转变过程中的相分离蛋白质（TGF-β刺激2天，509种响应相分离蛋白）。其无偏性、高通量、灵敏性为该技术在生物学、生物医学领域的广泛应用奠定基础。本研究的免疫荧光染色、蛋白质体内过表达、免疫印迹等结果均支持该方法鉴定相分离蛋白质的准确性。

这项研究整合了生物力学、生物物理学、生物医学设备开发、分析化学等多学科研究手段，快速扩展现有内源性相分离数据集，为内源性相分离蛋白质的鉴定、新型细胞器的发现及癌症等疾病的治疗治疗靶点寻找提供了新的方法和思路。

图1内源性相分离蛋白质的鉴定示意图

刘笔锋教授带领的系统生物医学与工程研究组长期从事微流控芯片与微纳尺度生物医学检验技术研究，从系统生物医学角度建立高通量、精准、快速和高灵敏的分析新平台；先后主持国家973、863和国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目等20余项，在国际学术期刊 Nature Chemistry, Nature Communications,  Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等发表论文SCI论文200余篇。

我校生命学院李一伟教授2020年从麻省理工学院回国加入到本院任教，团队重点关注细胞体积挤压这一常见却被忽视的基本生命现象，研究其物理分子机制，及对生命、再生、治疗的影响。在前期工作中，李一伟教授首次报道体积挤压调控基因表达动力学、无膜细胞器形成、Wnt信号通路转导、成熟细胞重编程、肿瘤单细胞异质性发生等（PNAS 2021；Cell Stem Cell 2021；Cell Chemical Biology 2023；Science Advances 2020; PNAS 2019）。李一伟教授团队进一步将体积挤压力学设计和分子信号转导结合，实现了带有功能的微组织、类器官构建，包括脂肪、肿瘤、肌肉和小肠等，实现产业转化。