2025-08-14 | 科研部 南科大张明杰院士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

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“Modulating synaptic glutamate receptors by targeting network nodes of the postsynaptic density condensate”的文章。该研究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）复杂度即可实现对谷氨酸受体分子进行双向调控。该发现为阐释生物凝聚体的生理功能与人为调控生物凝聚体提供了崭新思路。

生物大分子可以由多价相互作用介导发生相分离，从而形成高度富集的生物凝聚体，亦被称为无膜细胞器。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，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在本质上有何不同？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，取得了一系列有关突触后致密区（postsynaptic density，PSD）相分离与突触功能的重要突破。在近期研究中，张明杰院士团队与合作者利用单分子追踪、软物质力学等技术手段提出了PSD凝聚体中存在稳定串联整个凝聚体介观尺度的渗流分子网络。该网络是PSD组分通过特异性相互作用交联而涌现出来的实体网络，并非单纯浓度增加的“量变”过程。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。

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。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。这两种分子网络可通过PSD-95和SAPAP的结合而紧密联系，形成复杂的PSD渗流分子网络。

    在本研究中，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，研究团队开发了一种名为DLS-PBM的抑制性多肽。该多肽可以特异性阻断PSD-95家族蛋白的PDZ-SH3-GK超结构域。在体外重构的PSD凝聚体中添加DLS-PBM多肽，可阻断PSD-95与SAPAP的相互作用，进而将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Stargazin亚基为代表，Stg）所处的PSD核心层亚网络仍具有相分离能力，但因整体网络复杂度的大幅下降而不稳定，该状况使Stg在凝聚体中的扩散显著加快。

研究团队进一步在活细胞中进行了验证。研究人员通过在神经元中表达DLS-PBM多肽，利用活细胞单分子追踪技术观察到AMPA受体的流动性显著增强，而在PSD的富集减少。这意味着生理状态下，PSD可能存在突触传递障碍。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），从而干扰实验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，研究团队首先将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，以降低PSD蛋白网络的复杂度。与DLS-PBM情况类似，Homer1a的添加使AMPA受体亚基Stargazin与PSD-95的单分子流动性均显著增强，这预示着PSD渗流网络被削弱。值得注意的是，DLS-PBM和Homer1a均不能直接影响AMPA受体和PSD-95的相互作用，但二者均能对其产生干扰，这表明由网络性质引发的远程调控作用这种涌现性质，才是表型背后的分子机制。也就是说，网络上的分子如同“一根绳上的蚂蚱”，绳子的扰动会全局性影响上面的所有组分。

    为了更进一步阐释网络复杂度的强大调控作用，研究团队巧妙地设计了功能获得实验（gain of function）。研究人员发现PSD-95.FingR是具备高亲和力结合PSD-95的一种胞内抗体，它强效且能够特异性与PSD-95的GK结构域结合。该结合模式与内源性的SAPAP结合PSD-95的模式相似，但优于后者。基于此，研究团队设计了SAPAP-95FingR的嵌合体蛋白与PSD-95进行强效结合，以强化PSD-95/SAPAP的网络节点，从而增强整体网络的复杂度及稳定性。与实验预期相符，结果表明在体外重组实验与细胞实验中，SAPAP-95FingR均能显著增强AMPA受体在突触的聚集，并促进兴奋性突触成熟。

    研究团队基于宏观视角研究并阐述了不仅是PSD凝聚体，而是整个跨细胞的突触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），突触后膜的PSD-95变得松散细碎，而且连突触前膜活性区（active zone）的RIM分子也变得松散；与之相对应，当过表达SAPAP-95FingR嵌合体时，后膜的PSD-95与前膜的RIM均呈现排列紧致的状态。

    综上所述，该研究表明由特异性多价相互作用形成的相分离凝聚体在产生介观尺度的分子渗流网络后，成为了一种具有很多涌现出来新性质的复杂系统（complex system）。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。基于该特性，后续研究将能够绕过直接分子靶点，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，网络上的各个节点均可作为潜在靶向目标，并可以联合靶向多个节点进行增强干预效果。该路径为有效破解某些分子不可成药、难以成药的瓶颈提供了创新思路。

   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，张明杰院士为通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。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支持，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。该研究得到国家自然科学基金委、广东省科技厅、深圳市科创局、深圳市医学科学院、南方科技大学分析测试中心的资金和技术支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.07.017

供稿：生命科学学院

文字：刘晓天

通讯员：李沐涵

编辑：任奕霏