Mol Cell | 升维——张明杰团队通过控制相分离而涌现的介观分子网络实现对无膜细胞器功能的调控

生物大分子可以由多价相互作用介导发生相分离（phase separation），从而形成高度富集的生物凝聚体（biological condensate），亦被称为无膜细胞器（membraneless organelle）。自2009年Anthony Hyman和Clifford Brangwynne以P granule为例将相分离概念引入生物世界以来【1】，众多由相分离机制形成的无膜细胞器被陆续揭示出来，例如应激颗粒、核仁、P小体、神经与免疫突触等等。然而有一个核心问题始终存在：一群生物大分子由相分离机制集中在凝聚体中，到底和处于稀释相中的分子有何本质不同？生命系统相分离仅仅是将一群分子由稀释变为浓缩的“量变”过程吗？

张明杰院士课题组深耕生物相分离领域，于2016年在Cell发文首次提出相分离可能是维持突触后致密区（postsynaptic density，PSD）的机制【2】，并于2018年实现了对兴奋性突触后致密区（excitatory PSD）的重构【3】，随后取得了一系列有关PSD相分离与突触功能的重要突破【4-6】。在近两年的研究中，张明杰院士团队与合作者先后利用单分子追踪技术、软物质力学等技术手段提出了PSD凝聚体中存在稳定的串联整个凝聚体的 介观尺度的渗流分子网络 （percolated network），该网络是PSD组分通过特异性相互作用交联而 涌现 出来的（emergent）实体网络，并非简单的浓度增加的“量变”过程【7,8】。这种涌现出来的介观分子网络有可能为无膜细胞器赋予新的物理化学性质和生物学功能 (emergent propert ies )。

2025年8月12日，南方科技大学张明杰院士团队在 Molecular Cell 上发表了题为Modulatingsynaptic glutamate receptors by targeting network nodes of the postsynaptic density condensate的文章。本文继续探讨了相分离这一过程与突触功能调控的关系，以突触后致密区凝聚体（PSD condensate）为研究对象，揭示了不需要直接靶向谷氨酸受体及与其直接结合的支架蛋白，通过调控谷氨酸受体分子所在的介观渗流分子网络（percolated molecular network）的复杂度即可实现对谷氨酸受体分子进行双向调控。这一发现为理解生物凝聚体的生理功能与人为干预生物凝聚体提供了全新思路。

PSD凝聚体中的分子存在多对多价相互作用，并形成一个复杂的渗流分子网络【7,8】。其中位于PSD核心（PSD core）的两种蛋白以及PSD表层（PSD pallium）的三种蛋白可分别独立组装成分子网络并且形成生物凝聚体，这两种分子网络可以通过PSD-95和SAPAP的结合而被紧密联系起来形成复杂的PSD渗流分子网络。

在本项研究中，为了深入研究渗流分子网络的性质（如网络复杂度等）与突触功能的关系，张明杰团队开发了一个可以特异性阻断PSD-95家族蛋白的PDZ-SH3-GK超结构域的名为DLS-PBM的抑制性多肽，在体外重构的PSD凝聚体中添加DLS-PBM多肽，可以阻断PSD-95与SAPAP的相互作用，将PSD分子网络分隔为PSD核心（PSD core）与PSD 表层（PSD pallium）两个亚网络。虽然AMPA受体（以 S targazin亚基为代表，Stg）所处的PSD核心层亚网络仍具有相分离的能力，但因为整体网络复杂度的大大降低而非常不稳定，使得Stg在凝聚体中的扩散显著加快。课题组进一步在活细胞中验证这一理论，通过在神经元中表达DLS-PBM多肽，然后使用活细胞单分子追踪技术观察到AMPA受体的流动性大大增强而在PSD的富集减少，意味着生理状态下PSD可能的突触传递障碍。电生理实验进一步验证了表达DLS-PBM多肽会损坏谷氨酸能AMPA受体的突触传递与长时程增强（LTP），并且干扰小鼠的学习与记忆功能。

为了交叉验证网络复杂度影响凝聚体功能的理论是否合理，研究者们首先将Homer1a，一种可以特异性阻断Homer和Shank的网络节点的Homer1剪接异构体加入重组PSD凝聚体中，以削弱PSD蛋白网络的复杂度。和DLS-PBM相似，Homer1a的加入使得AMPA受体亚基Stargazin与PSD-95的单分子流动性都显著增强，预示着PSD渗流网络的削弱。值得注意的是，DLS-PBM和Homer1a都不能直接影响AMPA受体和PSD-95的相互作用，却都能使得它们受到干扰，提示网络性质带来的远程调控作用这样一种涌现的性质才是表型背后的分子机制。即网络上的分子们就像“一根绳上的蚂蚱们”，绳子的扰动会全局性得影响绳子上的所有组分。

为了更进一步表明网络复杂度的强大的调控作用，研究者们巧妙地设计了功能获得实验（gain of function）。PSD-95.FingR是一个高亲和力结合PSD-95的胞内抗体，研究者们发现它强效且特异性地结合PSD-95的GK结构域，这与内源性的SAPAP结合PSD-95的模式相似又远远强于SAPAP的结合。基于此，研究者们设计了一个SAPAP-95FingR的嵌合体蛋白使之PSD-95强效结合，以强化PSD-95/SAPAP的网络节点来增强整体的网络复杂度及稳定性。与预期相符，在体外重组实验与细胞实验中，SAPAP-95FingR均能强效增加AMPA受体在突触的聚集并促进兴奋性突触的成熟。

最后，研究者们以更宏大的视角阐明了不只是PSD凝聚体，整个跨细胞的突触的组装也受到突触后膜致密区网络复杂度的调控。当突触后PSD的复杂度降低（以DLS-PBM为例），不仅突触后膜的PSD-95变得松散细碎，竟然连突触前膜活性区（active zone）的RIM分子也变得松散；相应地，当过表达SAPAP-95FingR嵌合体，后膜的PSD-95与前膜的RIM均变得排列紧致。

总之，该项研究表明由特异性多价相互作用形成的相分离凝聚体产生介观尺度的分子渗流网络后，成为一种复杂系统（complex system），具有很多涌现出来的新性质。通过增强或减弱该网络的整体复杂度及稳定性，可以实现对凝聚体组织模式与网络分子动态性的精确调控，从而完成对凝聚体功能的定向调控。利用这一原则，我们可以绕过直接分子靶点，而把凝聚体系统当成一个宏观靶点对其功能进行干预。也就是说，网络上的各个节点皆有作为靶向目标的潜力，且可以联合靶向多个节点以增强干预效果。这一途径为应对某些分子不可成药、难以成药的困境提供了“东方不亮西方亮，黑了南方有北方”的思路。

本文通讯作者为南方科技大学张明杰院士，南方科技大学访问学者、香港科技大学博士后贾博文、朱士瀚、申泽宇为本文的共同第一作者。该研究得益于加州大学旧金山分校（UCSF）Roger Nicoll教授、陈修敏博士（现任苏州大学教授），华中科技大学同济医学院鲁友明教授、李浩副教授、研究生赵帅烛，厦门大学蔡期湑副教授的大力合作，张明杰院士课题组王钰博士、研究生王子琦对本研究亦有贡献。

张明杰课题组正在招聘博士后、博士生等科研人员继续探讨生物凝聚体这类复杂系统所涌现的新性质的理论基础及生物学功能。

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.07.017

制版人： 十一

参考文献

1. Brangwynne, C.P., et al., Germline P granules are liquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation.Science, 2009. 324(5935): p. 1729-32.

2. Zeng, M., et al., Phase Transition in Postsynaptic Densities Underlies Formation of Synaptic Complexes and Synaptic Plasticity.Cell, 2016. 166(5): p. 1163-1175 e12.

3. Zeng, M., et al., Reconstituted Postsynaptic Density as a Molecular Platform for Understanding Synapse Formation and Plasticity.Cell, 2018. 174(5): p. 1172-1187 e16.

4. Zeng, M., et al., Phase Separation-Mediated TARP/MAGUK Complex Condensation and AMPA Receptor Synaptic Transmission.Neuron,2019. 104(3): p. 529-543 e6.

5. Wu, H., et al., Phosphorylation-dependent membraneless organelle fusion and fission illustrated by postsynaptic density assemblies.Mol Cell, 2024. 84(2): p. 309-326 e7.

6. Zhu, S., et al., Demixing is a default process for biological condensates formed via phase separation.Science, 2024. 384(6698): p. 920-928.

7. Shen, Z., et al., Biological condensates form percolated networks with molecular motion properties distinctly different from dilute solutions.eLife,2023. 12.

8. Liao, Z., et al., Emergent mechanics of a networked multivalent protein condensate.Nature Communications, 2025. 16(1): p. 1-14.

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