Ji-Long Liu团队在《Experimental Cell Research》发表综述：提出细胞分区三大基本原则——细胞蛇组装、相分离与膜包裹
作者及发表信息
本文通讯作者为上海科技大学生命科学与技术学院及英国牛津大学生理学、解剖学与遗传学系的Ji-Long Liu教授，于2025年9月在《Experimental Cell Research》期刊发表题为《细胞分区的基本原则：细胞蛇组装、相分离与膜包裹》的综述文章（DOI: 10.1016/j.yexcr.2025.114766）。文章系统性地提出并论证了细胞内部物质组织的三大核心原则，为理解细胞结构与功能提供了全新框架。
核心观点与论据
1. 细胞分区的概念与普适性
- 定义：分区（partitioning）指将整体划分为多个独立部分的过程。该概念源于数学中的“分拆理论”（partition theorem），后在物理、化学、生物学等多学科中发展为关键方法论。
- 生物学意义：细胞作为生命基本单元，其内部的分区机制是维持功能异质性的基础。作者引用老子“道生一，一生二，二生三，三生万物”的哲学思想，阐明分区是从混沌到多样性演化的核心驱动力。
- 证据：以数学中的数字分解（如527=5×100+2×10+7）、生态学中的资源分配（生态位分区）为例，说明分区在自然界中的普遍性。
2. 细胞分区的三大基本原则
作者提出“CPM”模型（Cytoophidium assembly, Phase separation, Membrane enclosure），认为三者是细胞分区的最基本机制：
(1) 细胞蛇组装（Cytoophidium assembly）
- 定义：代谢酶（如CTP合成酶CTPS、肌苷酸脱氢酶IMPDH）通过多聚化形成丝状结构（代谢细丝），进一步捆绑为光学显微镜可见的蛇形结构——细胞蛇。
- 特征：
- 保守性：从古菌到人类均存在细胞蛇，例如果蝇卵母细胞、酵母、植物拟南芥等。
- 动态平衡：受温度、代谢物浓度（如GTP水平）、MYC基因等调控，具有组装-解聚的动态特性。
- 功能：延长酶半衰期（如保护CTPS免受蛋白酶体降解）、协调组织架构与代谢（果蝇脂肪体）、调控细胞周期（酵母）。
- 证据：冷冻电镜显示代谢细丝呈周期性螺旋结构（如P5CS形成双螺旋），且具有“同步化”效应（数百个酶分子协同催化）。
(2) 相分离（Phase separation）
- 定义：生物大分子通过液-液相分离（liquid-liquid phase separation, LLPS）形成无膜细胞器，如P颗粒、核仁、卡哈尔体（Cajal body）。
- 驱动因素：
- 内在无序区（IDRs）：蛋白质中的无序区域提供多价相互作用界面。
- 多价性（Multivalency）：RNA与蛋白质的弱相互作用网络驱动可逆凝聚。
- 功能：
- 分子反应器：如microRNA诱导的沉默复合体（miRISC）通过相分离加速目标mRNA降解。
- 应激响应：热应激诱导Ded1p相分离，调控翻译偏好。
- 细胞命运决定：线虫P颗粒通过相分离划分生殖细胞谱系。
- 证据：2009年Tony Hyman团队发现P颗粒具有液体特性（融合、滴落），且相分离相关研究在PubMed已超6万篇（72%发表于近15年）。
(3) 膜包裹（Membrane enclosure）
- 定义：通过单层或双层膜（如核膜、线粒体）分隔细胞内容物，形成经典细胞器。
- 进化意义：真核细胞特有，可能晚于前两种机制出现。
- 功能：
- 区室化代谢：溶酶体（酸性水解酶）、过氧化物酶体（解毒）等具有特定化学环境。
- 新型膜结构：迁移体（migrasome）介导细胞间通讯，收缩体（retractosome）参与膜动力学。
- 证据：历史发现脉络清晰，从1831年布朗发现细胞核到2015年迁移体的鉴定。
3. CPM模型的交叉比较
作者从数学、物理、化学、进化与通讯五个维度对比三大原则：
- 数学：细胞蛇呈线性增长（加法模型），相分离符合Cahn-Hilliard方程（偏微分方程），膜包裹涉及曲面几何（二维流形）。
- 进化：细胞蛇与相分离可能早于膜包裹出现，前者在极端环境中具有优势（如植物抗旱）。
- 通讯：三者存在协同——细胞蛇复合体（如CTPS与IMPDH共定位）、相分离结构与膜器接触（如P颗粒与内质网出口位点关联）。
科学价值与意义
1. 理论创新：首次系统性提出细胞分区的三大原则，打破传统“膜为中心”的视角，整合代谢（细胞蛇）、物理（相分离）与经典生物学（膜包裹）。
2. 方法论启示：倡导跨学科研究，如用数学模型（分拆理论）解释生物分区，或通过相分离物理学理解疾病（如神经退行性病变中蛋白凝聚）。
3. 应用潜力：为合成生物学（人工细胞设计）、疾病治疗（靶向代谢细丝或相分离的药物开发）提供新思路。
亮点总结
- CPM模型：原创性框架，覆盖从纳米级代谢细丝到微米级膜器的全尺度分区。
- 跨域证据：整合冷冻电镜（结构）、活细胞成像（动态）、进化分析（保守性）等多层次数据。
- 哲学深度：将东方哲学（道家思想）与西方还原论结合，揭示生命组织的普适规律。
该综述为细胞生物学提供了全新的“分区视角”，未来研究可进一步探索CPM三者的交互网络及其在疾病中的调控异常。