上海
生物大分子凝聚体（biomolecular condensates）是由生物大分子在细胞内通过局部聚集形成的无膜细胞器结构，能够精确调控多种生命过程，如信号转导、代谢和基因表达。这类结构大多由蛋白质通过相分离（phase separation,PS）形成，其中蛋白质的内在无序区（intrinsically disordered region,IDR）在这一过程中起到关键驱动作用。值得注意的是，凝聚体内部具有独特的物理化学微环境，显著区别于其周围胞质环境。许多重要药物靶点（如ESR1和EGFR）在发挥功能时可能定位于凝聚体内部。然而，传统药物研发策略主要聚焦于提高小分子与靶蛋白之间的亲和力，往往忽略了凝聚体微环境对小分子定位及其靶向效率的潜在影响。因此，深入理解并利用这一微环境特性，可能为优化药物设计和提高靶向治疗效率提供新的视角。
2025年9月9日，来自北京大学基础医学院医学生物化学与分子生物学系的李婷婷团队与西湖大学理学院化学系的张鑫团队合作在Nature Chemical Biology发表了题为 Navigating condensate micropolarity to enhance small-molecule drug targeting 的研究论文。本研究中，研究人员通过生物信息学手段和大数据分析，结合荧光寿命显微成像技术、体外质谱等技术手段，系统揭示了生物分子凝聚体内部的微环境特性——尤其是疏水性——对小分子药物分布及靶点结合效率的显著影响。本研究为针对相分离蛋白靶点的小分子药物设计与发现提供了全新思路，即通过充分考虑靶点所在凝聚体的化学微环境特性，可显著提升小分子药物的靶向效率。
本研究中，该团队首先通过生物信息学手段和大数据分析，系统梳理了2100多个FDA批准的小分子药物，并系统比较了靶向相分离蛋白和非相分离蛋白的小分子药物性质差异。在20种小分子性质上，作者发现疏水性差别最为明显，靶向相分离蛋白的小分子药物具有显著更高的疏水性（其值以logP表示）。这说明，只有足够疏水的小分子，才更有可能富集于凝聚体内，从而实现有效的靶向结合。为了说明这一结果的普适性，该团队又对2700多个人类小分子代谢物进行了生物信息学分析，发现与相分离蛋白相关联的小分子代谢物同样更具疏水性，这说明以上结论同样适用于人类小分子代谢物。
为了更加深入地理解凝聚体的异质性，该团队考虑到IDR在凝聚体形成中的关键作用，基于IDR的序列特征对202个具有长IDR的潜在相分离蛋白靶点进行了聚类分析。202个靶点最终被分为四类：非极性残基富集类、亲水性残基富集类、正负电成块分布类和一般带电类。作者进一步收集了与各IDR类别相关的小分子药物，并对它们的疏水性进行了比较分析。结果发现，靶向非极性残基富集类IDR的小分子药物具有最高的疏水性，其次依次为靶向亲水性残基富集类、非相分离蛋白靶点、以及正负电成块分布类和一般带电类，这一发现强调了凝聚体微环境的异质性：小分子药物的疏水性与其靶向的IDR亚类的化学特性呈正相关。
为了从实验上证明凝聚体微环境的异质性，李婷婷团队与西湖大学的张鑫教授合作，利用他们课题组开发的荧光寿命显微成像技术（2024，
Nature Chemical Biology） 对凝聚体内部的微环境进行了定量的测量。考虑到倾向于富集在凝聚体内部的小分子具有更高的疏水性，他们对凝聚体内部的微极性进行了测量。当凝聚体内部为更加疏水的微环境，即具有更小的微极性时，荧光探针具有更长的荧光寿命。因此，通过检测荧光寿命，可以定量地计算出凝聚体内部的微极性。作者比较了不同IDR类别形成的凝聚体内部微极性，发现非极性残基富集类IDR相比于其他类型的IDR形成的凝聚体内部为更加疏水的微环境。这一结果说明了凝聚体微环境异质性的具体含义。综合与各IDR类别相关的小分子药物疏水性差异结果，说明非极性残基富集类IDR形成凝聚体内部更加疏水，也包含更加疏水的小分子药物，这也符合“相似相溶”的原则。
证实了凝聚体微环境的异质性之后，该团队开始研究其如何影响小分子药物的分布和活性。首先，作者发现对于非极性残基富集类IDR对应靶点，其批准小分子药物相比于仅结合化合物具有更高的疏水性，这一结果对于其他类IDR对应靶点则正好相反。这说明与靶点所处凝聚体微环境相符的小分子可能具有更高的药物活性。接着，作者对L1000组学数据进行了系统分析，通过计算抑制剂作用与靶点敲低诱导的差异表达指纹之间的相似性对小分子药效进行了定量评估。作者发现对于非极性残基富集类IDR对应靶点，抑制剂的药效与其疏水性呈现显著正相关，以雌激素受体ESR1结果最为显著，而抑制剂的药效与其对相应靶点的亲和力相关不显著。这一结果说明小分子的疏水性与其靶点所处微环境微极性的匹配性，显著影响小分子的靶向效率。
ESR1是乳腺癌治疗的关键治疗靶点之一，设计对ESR1进行高效靶向的小分子药物对于乳腺癌的治疗大有裨益。接下来该团队以ESR1为具体案例说明如何基于凝聚体微环境提高小分子药物的靶向效率。这部分湿实验同样与西湖大学的张鑫教授课题组合作。他们在体外重建了ESR1凝聚体，通过荧光寿命成像发现ESR1凝聚体为疏水的微环境。作者注意到同时具有高疏水性和高亲和力的抑制剂才具有更高的药效，而部分低疏水性抑制剂尽管具有高亲和力，却表现出较差的药效。为了解释这一现象，他们通过质谱技术LC-MS测定了ESR1抑制剂在ESR1凝聚体内部的富集水平，结果发现疏水性更高的ESR1抑制剂在ESR1凝聚体内部更加富集，其中常用的ESR1抑制剂Tamoxifen在凝聚体内部最为富集，而ESR1抑制剂富集水平与其亲和力并无显著相关。这一结果说明疏水性是影响抑制剂进入凝聚体的关键因素，高疏水性的抑制剂具有更高的药效，可能原因是更多的富集于凝聚体内部，由此对于处于凝聚体内部的靶点具有更高的靶向效率。这也开辟了提高靶向效率的一个新思路：在维持亲和力的基础上，适当提高小分子药物疏水性有利于提高其靶向效率。
在目前的小分子药物设计和发现中，并没有考虑蛋白靶点是否能够发生相分离，即研究仅局限在单分子层面，只关注小分子与靶点之间的亲和力。本研究打破了传统药物设计只关注蛋白质“口袋结构”和亲和力的单一思维，开辟了“凝聚体微环境驱动”的多维药物设计新视角。这项研究的突破意义在于，它提出并实验证实了一个新原则：在设计靶向相分离蛋白的小分子药物时，除了关注其与靶点的亲和力外，还需考虑靶点所处凝聚体的微环境特性，尤其是疏水性匹配。未来，对靶点所处的凝聚体微环境进行全面系统地解析有望成为提高药物有效性与选择性的关键策略，推动精准医学更进一步。
本研究的第一作者为北京大学基础医学院2018级八年制博士生欧阳健和西湖大学生命科学学院2023级博士生陈俊霖。北京大学基础医学院李婷婷教授和西湖大学理学院化学系张鑫教授为文章共同通讯作者。
https://www.nature.com/articles/s41589-025-02017-9
制版人： 十一
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