近期，清华大学方晓峰实验室与合作者在《自然》（Nature）杂志上发表的一项研究，揭示了生物分子凝聚体在细胞内体膜变形和切割中的新机制。研究发现，植物蛋白FREE1通过相分离形成凝聚体，进而诱导内体膜变形和不稳定，足以在不需要ESCRT复合体和ATP的情况下促进内吞小体（intraluminal vesicles, ILVs）的形成。

 

该研究首先通过相分离蛋白筛选体系发现，植物中的ESCRT组分FREE1具备强烈的相分离能力，其N端的内在无序区域（IDR）是驱动相分离的关键区域。FREE1还包含一个能够与膜脂质磷脂酰肌醇3-磷酸（PI3P）结合的FYVE结构域，这使得FREE1能够定位到多囊泡体（multivesicular bodies, MVBs）的膜上。凝聚体的形成增强了FREE1与膜的结合，并作为支架招募其他ESCRT组分进入凝聚体中。

 

重要的是，研究团队发现，替换FREE1的IDR区域为另一种序列完全不同的FUS-IDR，可以恢复free1突变体的致死表型，表明相分离是FREE1功能的必要条件。然而，失去相分离能力的FUS-IDR变异体则无法恢复此表型，进一步证明了相分离的重要性。同时，FUS-IDR替换的FREE1虽然可以行使FREE1的功能，但却不与ESCRT相互作用，提示FREE1的凝聚体能够在不依赖ESCRT的情况下发挥作用。

 

通过体外重构实验和计算机模拟，研究团队观察到FREE1凝聚体能够在很短时间内导致膜弯曲并内陷。即使在不存在ESCRT复合体的情况下，FREE1凝聚体也能在大膜泡（GUVs）内部形成小的膜泡，表明FREE1凝聚体自身就足以介导膜的切割。物理理论计算支持了这一发现。

 

此外，研究提供了遗传学证据，表明在缺少ESCRT的植物中过表达可相分离的FUS-IDR-FREE1融合蛋白，能够部分恢复MVB内ILV的形成。然而，在高盐和干旱等环境胁迫下，仅靠FUS-IDR-FREE1并不能完全满足植物的需求，说明ESCRT和FREE1凝聚体可能是进化中保留下来的一种双重保障机制，以应对环境变化。

 

此项研究为相分离在生物学中的功能提供了新的视角，强调了相分离形成的凝聚体在细胞内膜系统重塑中的重要作用。这一发现对于深入理解细胞内物质运输和膜动态变化具有重要意义。