在生物学的微观世界里，细胞内的基因表达调控一直是一个复杂而精妙的领域。细胞通过各种机制来精确控制基因的转录和翻译过程，从而确保生命活动的正常进行。其中，生物分子凝聚体作为一种新兴的研究热点，逐渐受到了科学家们的关注。
生物分子凝聚体是由蛋白质和 RNA 等生物大分子通过液 - 液相分离形成的凝聚态结构，在细胞内广泛存在。它们能够将特定的 mRNA 选择性地富集在一起，从而实现对基因表达的时空精准调控。例如，在细胞受到外界刺激或处于特定生理状态下，生物分子凝聚体会通过相分离将目标 mRNA 困住，进而影响其翻译过程，这在细胞的应激反应、发育分化等过程中发挥着关键作用。
然而，目前对于生物分子凝聚体的研究大多集中在天然存在的体系上，对于人工合成的生物分子凝聚体在细胞功能调控中的应用还相对较少。本研究正是基于这一背景，旨在探索合成生物分子凝聚体在调控细胞功能方面的潜力，为合成生物学的发展提供新的思路和工具。
杜克大学Ashutosh Chilkoti等人
成功设计并构建了一种合成生物分子凝聚体，通过将人类 Pumilio2 同源域（Pum2）与弹性蛋白样多肽（ELP）融合，实现了对目标 mRNA 的特异性结合和凝聚。在实验中，他们将这种融合蛋白应用于原细胞和大肠杆菌（E. coli）中，发现在原细胞中，目标 mRNA 被凝聚后其翻译受到抑制；而在大肠杆菌中，同样的 mRNA 凝聚却促进了其翻译。这一发现不仅揭示了合成生物分子凝聚体在不同细胞环境下的独特作用机制，也为利用合成生物分子凝聚体来精准调控细胞功能提供了有力证据。
合成生物分子凝聚体的设计与构建
研究团队选择 Pum2 作为 RNA 结合域，因为它具有高特异性和亲和力，能够识别并结合特定的 mRNA 序列。而 ELP 作为一种合成的内在无序蛋白，具有可控的相分离行为，为构建合成生物分子凝聚体提供了理想的基础。
他们将 Pum2 与 ELP 融合，构建了Pum2 - ELP 融合蛋白。通过温度编程浊度法等手段，观察到 Pum2 - ELP 蛋白在生理温度下能够发生液-液相分离，形成凝聚体。
而且，该凝聚体的形成具有浓度依赖性，随着蛋白浓度的增加，相分离的温度降低，这为在细胞内实现可控的凝聚体形成提供了可能。
合成生物分子凝聚体与 mRNA 的相互作用
为了验证 Pum2 - ELP 融合蛋白对 mRNA 的结合能力，研究者采用了表面等离子共振（SPR）光谱法。实验结果显示，Pum2 - ELP 融合蛋白能够与含有 PRS 的 19bp RNA 片段以4.8nM 的平衡解离常数（KD）强烈结合，而对不含 PRS 的对照 RNA 则几乎没有相互作用。
此外，他们还研究了 Pum2 - ELP 融合蛋白与较长的 sfGFP - PRS mRNA 的结合情况。发现该融合蛋白与 sfGFP - PRS mRNA 的结合动力学呈现双相特征，这可能是由于 mRNA 上多个 PRS 位点同时与多个 Pum2 - ELP 分子相互作用所致。这些结果表明，Pum2 - ELP 融合蛋白能够特异性地识别并结合含有 PRS 的 mRNA，为其在细胞内调控特定基因表达奠定了基础。
图1 | Pum2–ELP合成RNPG平台特异性结合带有Pumilio2识别序列的mRNA
合成生物分子凝聚体在原细胞中的翻译调控作用
在原细胞体系中，研究者构建了包含 Pum2 - ELP - GFP 蛋白和 mCherry 或 mCherry - PRS mRNA 的原细胞。通过荧光显微镜观察，发现当 Pum2
- ELP 蛋白形成凝聚体时，含有 PRS 的 mCherry
- PRS mRNA 被有效地凝聚在其中，导致 mCherry 蛋白的表达显著降低。
这一结果表明，
在原细胞中，合成生物分子凝聚体通过将目标 mRNA 困在凝聚体内，抑制了其翻译过程。
这可能是由于在原细胞中，mRNA 的翻译与转录是耦合的，当 mRNA 被凝聚后，核糖体无法有效地与其结合进行翻译，从而导致翻译抑制。
图2 | 合成RNPG在原细胞中抑制蛋白质翻译
合成生物分子凝聚体在大肠杆菌中的翻译增强作用
与原细胞的结果相反，在大肠杆菌中，研究者发现当 mCherry - PRS mRNA 被 Pum2 - ELP - GFP 凝聚体凝聚后，mCherry 蛋白的表达反而显著增加
。通过荧光显微镜观察和酶联免疫吸附测定（ELISA）等方法，他们证实了这一现象。
进一步的研究表明，这可能是由于在大肠杆菌中，mRNA 的翻译与转录是解耦的，当含有 PRS 的 mRNA 被凝聚在 Pum2 - ELP - GFP 凝聚体中时，核糖体等翻译机器也被一并带入凝聚体。
由于凝聚体内的高局部浓度效应，核糖体能够更高效地与 mRNA 结合并进行翻译，从而促进了 mCherry 蛋白的表达。
图3 | 合成RNPG在活细胞中增强mRNA翻译
合成生物分子凝聚体的动态特性与 mRNA 保护机制
通过荧光恢复后光漂白（FRAP）和荧光损失响应光漂白（FLIP）实验，研究者发现 Pum2 - ELP - GFP 凝聚体在大肠杆菌中具有高度的动态性和流动性。
凝聚体内的 Pum2 - ELP - GFP 分子能够快速地在不同凝聚体之间交换，这表明凝聚体并非静态结构，而是处于一种动态平衡状态。
这种动态特性可能有助于 mRNA 在凝聚体内的有效翻译。一方面，动态的凝聚体能够不断更新其内部的分子组成，为翻译过程提供新鲜的核糖体和翻译因子；另一方面，凝聚体的存在可能保护 mRNA 免受细胞内核酸酶的降解，从而延长其在细胞内的存在时间，增加翻译的机会。
图4 | 合成RNPG是高度液态的生物分子凝聚体
图5 | mCherry蛋白丰度的定量分析证实合成RNPG增强了蛋白质翻译并优先隔离目标mRNA
小结
本研究通过构建合成生物分子凝聚体，实现了对细胞内特定 mRNA 翻译过程的精准调控。在原细胞中，合成生物分子凝聚体抑制了目标 mRNA 的翻译；而在大肠杆菌中，却促进了目标 mRNA 的翻译。这一发现不仅揭示了合成生物分子凝聚体在不同细胞环境下的独特作用机制，也为合成生物学领域提供了一种新的工具和策略。
