Science: ATP 的新功能——生物助溶剂

今天给大家安利一篇一个月前发表于 Science 的文章

作者通讯作者为德国马克斯普朗克研究所（以下简称“马普所”）的 AnthonyA. Hyman 以及美国芝加哥大学的 Yamuna Krishnan，一作和共同一作分别为马普所的 Avinash Patel和 Liliana Malinovska。

▲ 通讯作者 Anthony A. Hyman（左）以及 Yamuna Krishnan（右）

提到 ATP，你脑海中最先浮现的是什么？可能是中学生物课本中的定义：ATP 是生物体最直接的能量来源，可以通过水解释放能量！对此，一方面我们深信不疑，此外，鉴于“ ATP 作为能量来源”这一事实证据确凿，而且功能非常重要，可能在一定程度上抹杀了我们对它其他功能的思考空间。

▲ ATP 水解释放能量

本文惊奇地发现，ATP 还可作为生物助溶剂。何为助溶剂？一类可以使疏水性分子在水中溶解的小分子。那何又为生物助溶剂？顾名思义，可以让生物分子溶解的小分子。

本文研究的对象是细胞中的液相区室（听起来可能一脸懵逼，英文为 liquidc ompartments）。马普所的 Hyman 课题组研究方向之一是细胞中的液-液相分离，他们发现细胞质中含有一种不同液相蛋白形成的乳状液。把细胞质想象成整个校园，散落的教学楼和研究楼就是各种细胞器，而校园里的师生就是执行功能的蛋白质。细胞质中除了这些有固定边界（生物膜）的教学楼，你漫步在校园，也会看到草地上一群一群正在讨论的学生，他们聚集在一起为了执行某种特定功能，但是没有固定的边界。Hyman 课题组最开始注意到线虫胚胎中的一种无膜的区室——P 颗粒，它显示出典型的液体的性状。但区室毕竟还是液态的，其成分可以快速重组。

▲ FUS 及其突变体形成的液态区室（Cell.2015.162(5):1066-77.）

很多蛋白都可以形成这样的液相区室，本文聚焦于肉瘤融合蛋白 FUS（fused in sarcoma）所形成的液相区室。FUS 相关的研究很多，研究证实，FUS 与神经退行性疾病关系十分紧密。在正常细胞中，FUS 形成的液相区室参与转录、DNA 损伤修复以及 RNA 生物合成。

在体外模拟生理状态，重建 FUS 区室，检验不同浓度的 ATP 对其影响，结果发现：8 mM  ATP-Mg 可以阻止液-液相分离，甚至可以溶解掉此前形成的液滴。除了 FUS 区室，ATP 的这种助溶作用是普适的，对 TAF15、hnRNPA3 以及 PGL3 形成的液相区室效果类似。

▲ ATP 具有显著的助溶作用

▲ ATP 具有显著的助溶作用，对上图结果的量化

 如果 ATP 可以使蛋白液滴溶解，那么其一定出现在液滴中。荧光示踪分子证实了这一点，ATP 确实富集在液滴中。

▲ 荧光示踪证实 ATP 富集在蛋白液滴

这种助溶作用到底是 ATP 作为能量供应者产生的，还是它确实可以作为助溶剂呢？这里作者用了 ATP 的类似物 APPNP，其γ磷酸基不能转移，即不能水解释放能量，也不能作为磷酸供体。

▲ ATP 的类似物 APPNP (从上到下第一排第二个)

▲ APPNP 虽然不能释放能量，但也能溶解蛋白液滴

▲ 各种试剂对蛋白液滴的助溶作用

以上结果证实了，ATP 确实可以作为生物助溶剂。除了 ATP，其他的可以吗？比如 GTP、ATP 的水解产物 ADP 和 AMP？

▲ GTP、ADP和AMP都可以溶解蛋白液滴

结果很显然，ADP、AMP和GTP有助溶作用，但遗憾的是，在生理条件下，三者浓度分别为~200，~200-800，~400 mM，在这个浓度下，它们的助溶效果十分微弱。

除了有助溶作用，ATP 还会让蛋白变得更加稳定。作者设计了一个非常有意思的实验：去鸡蛋白，在60℃的水浴中放置，向体系中分别加入两性（兼具亲水性和疏水性）小分子二甲苯磺酸钠（sodiumxylene sulfonate，NaXS）、NaCl、APPCP-Mg、ATP-Mg，发现前两组，30min 内蛋白就凝固了，而后两组，一点没有凝固的迹象！

▲ 简单而有说服力的实验

小编惊呆了！这个实验初中生都可以在家里完成，但是竟然作为 Science 文章的一幅主图！

▲ 对以上结果的量化--ATP可以阻止蛋白凝固

除了以上这两部分，文章还对 ATP 作为助溶剂进行了更多的特征化，这里略过。今天之所以安利这篇文章，是因为小编在想象这样一个场景：倘若你在煮某种蛋白的时候，误加了某种小分子溶液，最后蛋白需要更长时间煮熟，你可能会想一想这种小分子或许能够阻止蛋白凝固么？

留意实验中的细节，从科学的角度思考，或许会有新的发现。

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