蛋白質與核酸在真核細胞中經(jīng)相分離形成的生物大分子凝聚物是基因表達調控、胞內信號轉導等關鍵生命活動的重要調控樞紐【1】?，F(xiàn)有報道的絕大多數(shù)凝聚物都具有較好的液相性質，在熱力學的作用下表現(xiàn)為表面能最低的液滴型形貌。近年來，越來越多的工作開始討論一些有趣的、非液滴型的凝聚物結構，如“珍珠鏈”結構【2, 3】、“俄羅斯套娃”式嵌套結構【4】、內部具有生物分子低密度腔室的空心結構【5-7】等。其中，空心型凝聚物憑借“殼層富集-中心空置”的獨特結構，在分子封裝、藥物遞送等領域展現(xiàn)出巨大應用潛力【5, 7】。然而，此類凝聚物形成的通用熱力學驅動力與調控機制，長期以來一直是生物物理領域的研究謎題。

近日，北京大學定量生物學中心齊志課題組、林杰課題組聯(lián)合攻關，在空心型凝聚物的物理機制研究上取得了進展。研究團隊以人類抑癌因子p53蛋白-雙鏈DNA共凝聚物為研究模型，通過體外生化實驗與物理模型的跨學科融合，首次揭示：在高親和力p21 DNA的誘導下，p53與低親和力非特異序列DNA形成的液滴型共凝聚物會通過“外周凝膠化-中心組分耗竭-旋節(jié)線分解產(chǎn)生稀相”的反應，實現(xiàn)從實心向空心結構的轉變，闡明了多組分空心凝聚物形成的核心物理規(guī)律。該發(fā)現(xiàn)不僅填補了空心型凝聚物形成機制的理論空白，更為藥物開發(fā)及生物技術應用提供了全新工具與思路。相關研究成果以

Hollow condensates emerge from gelation-induced spinodal decomposition

人類抑癌因子p53蛋白具有四聚體結構、對不同序列DNA有差異化的親和力、生理條件下無法單獨形成凝聚物等特點，是凝聚物機制研究的理想模型。研究團隊前期發(fā)現(xiàn)轉錄激活結構域（Transactivation domain, TAD）缺失的p53截短體能與不含p53特異結合位點、親和力較低的隨機序列DNA（Random DNA）形成實心、均質的液滴型共凝聚物；如若DNA上存在親和力更高的p21特異序列（p21 DNA），蛋白和p21 DNA會形成不圓的珍珠鏈型共凝聚物【2】。

圖1. p21 DNA誘導液滴型p53-Random DNA共凝聚物轉化為空心型結構

體外液滴實驗發(fā)現(xiàn)，向已孵育成型的p53-Random DNA液滴型共凝聚物中加入p21 DNA，經(jīng)過一段時間孵育，原本的實心凝聚物能夠轉變?yōu)槿S的空心型凝聚物（圖1），其中殼層區(qū)域富含p53蛋白與兩種DNA，而中心腔室沒有生物分子聚集，腔室內部與周圍稀相的分子組成、擴散系數(shù)非常相近，證實其為真正的 “空心” 結構。作為對照，若在第二步添加Random DNA而非p21 DNA，凝聚物則始終保持均質液滴形態(tài)，表明p21 DNA與蛋白的特異性結合是凝聚物形態(tài)轉變的關鍵因素。

為表征空心凝聚物的形成動力學，研究團隊追蹤了p53蛋白與兩種DNA的空間分布、熒光亮度隨時間的演化，發(fā)現(xiàn)空心結構的形成存在三個階段：（1）階段I：p21 DNA結合并富集在液滴型凝聚物的外周，此時凝聚物中心區(qū)域的蛋白與Random DNA濃度逐漸下降， 定義該階段的時間為 τ1； （2）階段II：中心區(qū)域蛋白與Random DNA濃度急劇下降，生物分子稀疏的腔室形成，定義該階段的時間為τ2；（3）階段III：空心腔室隨時間擴張，空心型結構逐漸趨于穩(wěn)定，殼層保持生物分子富集特性，中心腔室維持 生物分子稀疏特性。

研究團隊揭示了調控空心型凝聚物形成的三大核心因素：（1）提高緩沖液NaCl濃度，空心型凝聚物完全溶解，說明靜電相互作用是其組裝的核心驅動力；（2）改變兩種DNA的添加順序均無法形成空心結構，其僅在“p53+Random DNA先混合形成液滴，再添加p21 DNA”的條件下形成，表明組裝路徑的動力學調控決定凝聚物結構；（3）p21 DNA存在臨界濃度閾值，低于閾值無空心結構，高于閾值則穩(wěn)定形成 ，τ1隨p21 DNA的濃度升高而縮短，τ?則保持穩(wěn)定，說明p21 DNA在凝聚物外周的積累非常重要。值得注意的是，p21 DNA濃度高于閾值時，凝聚物中心的Random DNA與蛋白熒光強度在τ1結束時均顯著下降，表明二者從初始穩(wěn)定的濃相濃度向低濃度偏移，這暗示空心型凝聚物的形成與相分離中的旋節(jié)線分解存在聯(lián)系。

為探究p21 DNA對初始凝聚物物態(tài)性質的影響，研究團隊使用了熒光淬滅恢復技術（FRAP）與原子力顯微鏡力譜（AFM-FS）。結果顯示，空心型凝聚物殼層的p53蛋白的熒光恢復比例與速率顯著低于液滴型凝聚物，且楊氏模量顯著升高，表明添加p21 DNA后凝聚物由原本偏液態(tài)的狀態(tài)轉變?yōu)槟z態(tài)。結合p21 DNA始終富集在凝聚物的外表面，這進一步說明凝膠化主要發(fā)生在凝聚物的表面。

為解析空心型凝聚物的形成機制，研究團隊基于實驗現(xiàn)象，構建了包含p53蛋白、Random DNA、p21 DNA的三組分相場模型。該模型以Cahn-Hilliard動力學為基礎，核心在于引入“凝膠場”變量：當局部區(qū)域的p53與p21 DNA濃度均超過臨界閾值時，凝膠場產(chǎn)生并顯著降低各組分的擴散速率，以此模擬凝聚物的外周凝膠化過程。數(shù)值模擬結果與實驗高度吻合，不僅成功復現(xiàn)了空心型凝聚物形成的三階段特征，其特征時間τ?、τ?隨p21 DNA濃度的變化趨勢也與實驗一致。模擬與實驗的高度契合為挖掘空心型凝聚物形成的核心物理機制提供了可靠的理論支撐。

圖2. p53-DNA空心型凝聚物形成的物理機制

基于上述模型，研究團隊通過計算體系自由能Hessian矩陣的最小特征值，追蹤凝聚物中心區(qū)域的熱力學穩(wěn)定性隨時間的演化：未添加p21 DNA時，核心區(qū)域處于穩(wěn)定的濃相狀態(tài)；加入p21 DNA后，伴隨中心區(qū)域組分濃度下降，凝聚物進入亞穩(wěn)態(tài)（階段I）；當中心區(qū)域組分濃度下降至閾值時，最小特征值跌破0，系統(tǒng)進入不穩(wěn)定狀態(tài)，觸發(fā)旋節(jié)線分解（階段II），形成新的穩(wěn)定稀相即空心腔室（階段III）?；谀M數(shù)據(jù)繪制的相圖進一步證實，旋節(jié)線分解是空心腔室形成的直接熱力學驅動力，這一理論框架首次為多組分空心凝聚物的形成提供了清晰的熱力學解釋（圖2）。

該研究在多組分生物大分子凝聚物的基礎理論上實現(xiàn)突破，并展現(xiàn)出廣闊的轉化潛力。研究首次系統(tǒng)闡明了三組分空心凝聚物的形成機制，通過構建引入“凝膠場”的相場模型，精準復刻了“外周凝膠化-中心組分耗竭-旋節(jié)線分解產(chǎn)生稀相”的三階段過程，揭示了鹽濃度、組分添加順序、p21 DNA濃度三大核心調控因素，明確了凝聚物組裝路徑的動力學調控對其形態(tài)、結構等特征的決定性作用，填補了多組分空心凝聚物形成的熱力學與動力學機制空白，為理解生物大分子自組裝的復雜規(guī)律提供了全新理論范式。應用技術層面，研究也為生物技術創(chuàng)新開辟了新路徑：空心型凝聚物獨特的“殼層富集-中心空置”結構有望開發(fā)出核酸藥物的高效遞送載體，而組分添加順序、濃度等參數(shù)的調控規(guī)律則為人造凝聚物的理性設計與可編程組裝提供了技術指導，為人類疾病的治療干預與生物技術的創(chuàng)新發(fā)展帶來新思路與新工具。

北京大學定量生物學中心齊志教授、林杰研究員為本文共同通訊作者。北京大學定量生物學中心李承博士后、畢業(yè)生孟令羽博士、博士生佟永鑫為本文共同第一作者。

文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520491122

齊志課題組（北京大學定量生物學中心）：聚焦研發(fā)新型多維度、跨尺度單分子技術，并把非平衡態(tài)物理學融入交叉研究，解析生物大分子動態(tài)聚集體的分子機理：1. 轉錄調控中的核酸-蛋白共凝聚物的分子機制；2. DNA修復中的單鏈DNA-RPA復合物的分子機制；3. RNA biology中的RNA-蛋白共凝聚物的分子機制；歡迎已獲得或短期內可獲得物理、化學、生物、或工程等相關專業(yè)博士學位的有志科研之士申請博士后及科研助理職位。按照北京大學相關規(guī)定執(zhí)行，提供具有國際競爭力的待遇條件，優(yōu)秀者推薦申請“北大博雅博士后基金”，具體待遇面議。申請者請投遞將個人簡歷（應聘理由請注明“博士后申請+姓名”）。本招聘長期有效。導師信息及相關個人頁面：http://cqb.pku.edu.cn/qizhi/

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制版人： 十一

參考文獻

1.S. F. Banani, H. O. Lee, A. A. Hyman, M. K. Rosen, Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry.Nat Rev Mol Cell Bio18, 285-298 (2017).

2.C. Li et al., Deciphering the molecular mechanism underlying morphology transition in two-component DNA-protein cophase separation.Structure33, 62-77.e68 (2025).

3.W. Ma, G. Zhen, W. Xie, C. Mayr, In vivo reconstitution finds multivalent RNA–RNA interactions as drivers of mesh-like condensates.eLife10, e64252 (2021).

4.M. Feric et al., Coexisting Liquid Phases Underlie Nucleolar Subcompartments.Cell165, 1686-1697 (2016).

5.I. Alshareedah, M. M. Moosa, M. Raju, D. A. Potoyan, P. R. Banerjee, Phase transition of RNA-protein complexes into ordered hollow condensates.P Natl Acad Sci USA117, 15650-15658 (2020).

6.N. A. Erkamp et al., Spatially non-uniform condensates emerge from dynamically arrested phase separation.Nature Communications14, 684 (2023).

7.P. Wen et al., Coacervate vesicles assembled by liquid–liquid phase separation improve delivery of biopharmaceuticals.Nature Chemistry17, 279-288 (2025).

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