细胞如何“吃”自身的液体成分？

  由相分离蛋白构成的液滴（洋红色）能与自噬膜（绿色）相互作用。该论文表明，这种滴-膜作用与“湿润”有关，并由液滴的表面张力所决定。当自噬膜在液滴表面扩张时，表面张力过低的液滴没办法承受膜的弯曲并随之发生形变。这就导致液滴被自噬作用一个个地“咬掉”。以上图片展现了体外培养的人类细胞中正在发生的这一过程。图片来源：

  自噬（autophagy）是一种基本的细胞过程，细胞通过自噬将自身功能失调或多余的成分捕获、降解并回收利用。最近的研究发现，相分离的液滴（droplet）在细胞中起着一系列及其重要的作用。由德国、挪威与日本合作的国际研究团队揭开了液滴如何通过自噬被捕获，以及液滴如何作为一种媒介促进细胞质自噬发生的机制。

  自噬是一种对人类健康起到关键作用的细胞内降解途径，它在几十年间吸引着细胞生物学家们的注意，东京工业大学的大隅良典教授由于发现自噬机制而获得了2016年诺贝尔生理学或医学奖。最近发现，自噬作用可以降解液滴，这些液滴由相分离形成，它们在快速跟进的研究中被认为是细胞中重要的结构成分。但液滴是怎么被“吃掉”的仍悬而未决。

  这个简单却重要的问题由东京大学的Roland Knorr博士提出，研究团队集合了来自德国哥廷根、挪威奥斯陆以及日本东京的研究人员，包括来自东京工业大学创新研究院的Alexander I. May博士。该团队旨在理解自噬体吞下液滴的生物学过程，同时发现自噬和液滴的关系中蕴藏着一种精细的物理学机制。他们的结果发表在最近一期《自然》（

  ）杂志，标志着我们对自噬如何捕捉细胞内物质，以及液滴如何在细胞中降解的理解取得了重大突破。这些发现有望启发一些治疗性的研究，靶向于自噬和在神经退行性疾病中观察到的液滴物质的异常积累。

  在自噬的第一步中，分离膜（isolation membrane）是由双层脂膜组成的自噬基本功能结构，形如泄气的网球，它逐渐扩张，弯曲形成一种杯状结构，最终形成被称作“自噬体（autophagosome）”的球状结构。自噬体捕捉细胞质和其他液滴之类的胞内物质，将货物从细胞质中取出，随后货物被分解，其零件被细胞回收利用。研究人员将目光聚焦于液滴的分离，他们发现这一过程能借助一些简单而基础的物理学原理来理解。由于受到表面张力的作用，液滴呈现球状，表面张力可以使液滴的表面积减到最少。液滴抵抗球体形变的能力有多强取决于自身的表面张力，而表面张力的数值反映了液滴与周围细胞质相互排斥的程度。重要的是，脂膜能够覆盖在液滴与细胞液的交界处，此现状被称作“湿润（wetting）”。湿润取决于膜顺应液滴和细胞液的相互作用的程度，以及液滴的表面张力。

  研究人员建立了一种说明这些物理力的理论模型，用于解释自噬膜如何与液滴相互作用并将其捕获。他们发现，液滴分离膜的形状集合取决于液滴抵抗形变能力与分离膜弯曲倾向的竞争。May博士解释了物理力如何决定液滴分离膜相互作用的结果：“在自噬的开始阶段，液滴上的分离膜非常小，意味着它们只有很弱的弯曲倾向。而当膜面积扩大时，膜更容易弯曲，即弯曲能增加。液滴的表面张力决定了其抵抗形变的能力，如果表面张力够低，分离的弯曲就能到达超过表面张力的临界点。在这个例子中，液滴的一小部分被‘咬掉’并捕获到自噬体。如果无法到达临界点，液滴的表面张力在这场竞争中‘获胜’，超过了膜的弯曲能，分离膜就会继续沿着液滴表面扩张，最终吞下整个液滴。液滴自噬因此也可理解为液滴表面张力与分离膜弯曲能的‘拔河比赛’。”随着模型预测了“部分自噬”与“整体自噬”间的对立统一，该团队想要在活细胞中证明这些发现。研究人员使用结合了荧光与电子显微镜的先进的技术来追踪液滴的成分，液滴中富含一种叫做p62或SQSTM1的蛋白质。就像模型中液滴表面张力低的情况所预测的那样，液滴表面小隔离膜的位置紧随着被“咬掉”的液滴部分。但该团队需要研发一种控制液滴表面张力的新方法来验证液滴性质对其分离的影响。为了解答这样的一个问题，研究人员设计出一种评估细胞内环境复杂度的小型人工实验系统。借助这种方法，他们在高表面张力的液滴表面膜出现前，发现了自发形成的分离膜状结构。这项实验设计的可调性让研究人员得以降低表面张力，因此验证其在液滴捕获中的作用。正如模型预测的那样，他们观察到扁平的分离膜通过一种杯状的中间体转变为如同自噬体的结构，由此从液滴上咬下一口。总的来说，这些结果证明了此模型的真实性，并说明湿润是控制液滴形成自噬体的物理机制。

  这些结果说明生物学家们仍只揭开了相分离对自噬的意义中的冰山一角。有意思的是，去年发表在《自然》（）杂志的另一项由大隅良典、Knorr和May博士共同完成的研究显示，酵母细胞形成自噬体的地方其实是无法被捕获的液滴。Knorr博士提醒说：“我对于发现液滴是新的关键自噬结构非常感兴趣。我们得知一些液滴会被p62之类的自噬体降解，但另一些却不会，包括形成自噬体的地方。我们想弄清这些现象背后的原因。”上文描述的分离膜弯曲与液滴表面张力间的竞争前提是分离膜粘到液滴表面时性质不可能会发生改变。然而这样的一种情况不太也许会出现，因为在自噬时分离膜两端湿润着两种不同的液体：液滴和细胞质。为了解释这种现象，研究团队扩展了模型，发现这种湿润引发的分离膜内在不对称性决定了弯曲的方向，以及被捕获分解的物质——无论是通过部分途径的液滴；还是远离液滴，由分离膜扩张捕获的细胞质。最终的结局是由分离膜、液滴性质和细胞质状态的特定组合，共同决定液滴是自噬的目标，还是违背直觉地作为周围细胞质完成自噬的平台。为了验证这点，研究人员对p62蛋白进行了修饰，使其缺少与分离膜蛋白相互作用的特殊结构，由此减弱分离膜与液滴的联系。这一处理产生了根本性的影响：当分离膜开始沿着p62液滴在野生型（未编辑）细胞中扩张时，它们反而弯曲捕获了细胞质，原封不动地将液滴留下。液滴性质的细微变化就能对活细胞的自噬方式造成如此关键的影响，决定液滴是整体或部分被吞噬，还是捕获细胞质中的物质。解释这种转换遵循的基础原理为我们对自噬机制的理解提供了全新的观点，以及液滴的作用和细胞中湿润的物理学原理。这些理解为后续一系列细胞生物学中物理力作用的新研究夯实了基础，也为弄清楚自噬在难以治愈的疾病中起到的作用提供了新线索，比如神经退行性疾病和癌症。