北京大学齐志/林杰最新PNAS
来源：iNature 2026-01-01 16:27
该研究探讨了一个明确的体系，其中人类转录因子p53与非特异性双链DNA可形成生物分子富集的凝聚体。引入含有p53结合基序的dsDNA会诱导凝聚体形态向中空结构转变，并伴随其物态从类液体向类凝胶转变。
近期研究发现了多种中空生物分子凝聚体，其结构特征为生物分子富集的壳层包裹着生物分子贫乏的内腔。尽管已有多种形成机制被提出，但其普遍的热力学驱动力仍不明确。
2025年12月26日，北京大学齐志和林杰共同通讯在PNAS 在线发表题为“Hollow condensates emerge from gelation-induced spinodal decomposition”的研究论文。该研究探讨了一个明确的体系，其中人类转录因子p53与非特异性双链DNA（dsDNA）可形成生物分子富集的凝聚体。引入含有p53结合基序的dsDNA会诱导凝聚体形态向中空结构转变，并伴随其物态从类液体向类凝胶转变。
体外实验表明，中空凝聚体的形成是由p21 DNA诱导的凝聚体外周局部凝胶化所驱动。基于这些发现，作者构建了一个三组分相场模型，该模型定量地再现了中空凝聚体的形成过程。模拟结果显示，外周凝胶化导致蛋白质和随机DNA（Random DNA）逐渐从凝聚体核心区域耗竭，从而触发凝聚体内部的旋节线分解及内腔形成。综上，本研究为多组分中空凝聚体的形成机制提供了新的见解。
核酸与蛋白质可通过相分离组装成生物分子凝聚体，这一过程已被证实在多种生物学过程中发挥关键作用。凝聚体形成的失调日益被认为与多种人类疾病的发病机制相关，包括神经退行性疾病和癌症。
除形成富含生物分子的凝聚体外，生物分子凝聚体还可组装成中空结构，即在富含生物分子的凝聚体内部形成生物分子耗竭区域。例如，Banerjee等人证明了由富含精氨酸的无序核蛋白——鱼精蛋白（PRM）与RNA组合可形成稳定的中空凝聚体。他们提出，在高度不平衡的浓度下，鱼精蛋白–RNA混合物会形成蝌蚪状结构，并经历“蝌蚪–胶束–囊泡”转变，最终产生类似脂质膜结构的蛋白质–RNA囊泡。另一例由Knowles等人提供，他们证明将RNA–PEG共凝聚体从较高孵育温度快速冷却时，会因动力学受阻的相分离驱动，在凝聚体内部诱导形成不稳定的、生物分子耗竭的液滴。
尽管这些研究探索了中空凝聚体形成的特定物理机制，但其背后是否存在普遍的热力学驱动力仍是一个悬而未决的问题。本研究聚焦于在双链DNA（dsDNA）–蛋白质相互作用共凝聚体（DPICs）中观察到的一种独特相分离现象，其中单独的蛋白质或双链DNA均不发生相分离。作者以人类转录因子p53为研究对象，其可能为本研究提供一个良好的模型系统。
通过建模获得的机制性见解揭示了空心凝聚物形成的物理基础（图片源自PNAS ）
野生型（WT）p53蛋白可组装为四聚体。每个单体包含一个氨基末端反式激活结构域（TAD，1–62）、一个富含脯氨酸结构域（PRD，63–94）、一个核心DNA结合结构域（DBD，95–292）、一个短的内在无序铰链结构域（HD，293–324）、一个寡聚化结构域（OD，325–356）以及一个羧基末端结构域（CTD，357–393）。CTD负责非特异性DNA搜寻，而核心DBD则选择性结合p53结合基序。在作者先前的工作中，作者证明了一种缺失TAD结构域但在DBD结构域含有四个稳定化突变（M133L/V203A/N239Y/N268D）的截短变体（作者称之为p534MΔTAD）在与双链DNA结合时可形成DPICs。当与含有非特异性序列的400碱基对（bp）双链DNA（以下简称Random DNA）混合时，p534MΔTAD形成液滴状DPICs。相比之下，与携带三个p21结合基序的400-bp双链DNA（p21 DNA）孵育则导致形成“珠链”状凝聚体。p21 DNA基序是一个特征明确、高亲和力的p53结合位点，在p53介导的转录激活和细胞周期阻滞中起关键作用。与此一致，作者在体外条件下发现p53对p21 DNA的结合亲和力强于Random DNA。
本研究中，作者发现在由p534MΔTAD和Random DNA形成的液滴状DPICs中加入p21 DNA，会触发凝聚体形态从富含生物分子状态向中空结构转变。体外液滴实验表明，该转变伴随p21 DNA诱导的凝聚体外周局部凝胶化。基于这些实验结果，作者建立了一个三组分相场模型，定量刻画了中空凝聚体的形成过程。模拟结果显示，由p21 DNA驱动的外周凝胶化导致凝聚体核心的蛋白质和Random DNA逐渐耗竭。这种重新分布驱动了旋节分解，最终产生中空结构。
北京大学定量生物学中心齐志教授、林杰研究员为本文共同通讯作者。北京大学定量生物学中心李承博士后、毕业生孟令羽博士、博士生佟永鑫为本文共同第一作者。本研究获得了自然科学基金委杰青基金（T2225009 to Z.Q.），国家重点研发计划“生物与信息融合(BT与IT融合)”重点专项（2023YFF1205600），和教育部基础学科和交叉学科突破计划（JYB2025XDXM502）等项目支持。
原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2520491122
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