上海
撰文 | 易
生物分子凝聚體通過在細胞內形成無膜區室來組織和區隔復雜的生化功能，這對于實現基因表達、RNA穩態等關鍵細胞過程至關重要。然而，將凝聚體內部的分子相互作用與其介觀尺度的結構組織聯系起來，仍然是一個重大的挑戰。傳統的成像分析方法通常依賴于預定義的、低維度的形態特征（如數量、大小、形狀），這些方法不僅繁瑣，而且可能忽略掉由潛在生化活動驅動的、更復雜的形態變化，從而限制了從結構變化中提取機制性見解的能力。雖然基于深度學習的計算機視覺方法在分析亞細胞結構方面顯示出潛力，但其在定量解碼凝聚體形態與功能關聯方面的系統性應用尚未充分開發。因此，開發一種能夠直接從圖像中無偏、定量地解讀凝聚體形態變化，并將其與特定生化通路擾動相關聯的方法，對于發現新的細胞組織原理、識別疾病生物標志物和藥物靶點具有重要價值。
近日，美國普林斯頓大學Clifford P. Brangwynne在Cell期刊發表題為Deep learning of functional perturbations from condensate morphology的研究論文，開發了一種名為Deep-Phase的深度學習框架，能夠直接從顯微鏡圖像中定量解析生物分子凝聚體的形態變化，并將其與特定的生化功能擾動精確關聯。通過該方法，不僅揭示了核仁形態變化可作為核糖體RNA轉錄與加工抑制的定量生物標志，還意外發現了拓撲異構酶1（TOP1）在維持核仁組織結構與rRNA加工過程中的全新功能。
首先，研究團隊開發了一套名為Deep-Phase的基于深度學習的計算框架，該方法基于卷積神經網絡（ResNet50架構），無需依賴預定義特征，直接從熒光顯微圖像中學習生物分子凝聚體的復雜形態特征。通過使用穩定表達三色核仁標記蛋白的細胞系，并以已知的rRNA轉錄抑制劑CX-5461誘導的“帽狀”和“項鏈狀”核仁形態作為訓練集，該模型成功實現了對已知形態的高精度（>98%）分類，并展現出優秀的跨細胞系、跨標記方法的泛化能力。
隨后，利用Deep-Phase對藥物處理的濃度梯度和時間過程進行量化分析，通過計算細胞群體在形態“激活空間”中的投影，首次實現了對核仁多相結構擾動的連續、定量測量，并得出形態學半數響應濃度（RC 50 ）。關鍵的是，這些形態學RC 50 值與通過獨立生化實驗（如5-乙炔尿苷摻入法、RNA聚合酶II活性測定）測得的傳統功能抑制IC 50 值高度一致，從而首次建立了核仁形態變化程度與特定生化通路（rRNA轉錄或加工）抑制強度之間的定量函數關系。這一關聯僅在能夠清晰分辨核仁多相結構的蛋白標記圖像中成立，而在使用RNA染料時失效，證實了亞區室空間組織本身是功能信息的載體。
進一步為了驗證Deep-Phase平臺的普適性，該方法被成功推廣至核斑點和呼吸道合胞病毒細胞質包涵體等其他類型凝聚體，針對其各自特征形態訓練的新模型，所測得的形態學RC 50 同樣與已知的功能性IC 50 值匹配，證明了Deep-Phase作為跨凝聚體類型通用量化平臺的潛力。與基于手工特征提取的傳統圖像分析方法相比，Deep-Phase不僅在基準測試中表現相當，更在應對未知處理或不同實驗批次時展現出顯著更優的魯棒性和泛化能力，凸顯了其直接從原始像素中學習復雜模式的優勢。
然后，研究團隊利用Deep-Phase對一個靶向RNA過程的小分子庫進行篩選，不僅驗證了已知抑制劑，更發現拓撲異構酶1（TOP1）抑制劑拓撲替康（Topotecan, TPT）誘導出一種全新的、既非“帽”也非“項鏈”的核仁“花朵狀”形態。通過構建包含此新類別的四分類模型，得以精確定量該形態。深入機制研究表明，此形態與TOP1從核仁中的重定位直接相關，其形成RC 50 與TOP1核仁定位減少的濃度范圍高度吻合，且CRISPR介導的TOP1敲低足以重現該表型，證明TOP1的缺失是誘因。功能層面，5eU-seq和RNA FISH分析揭示，與誘導“項鏈”形態的加工抑制劑FVP（導致錯誤加工的rRNA中間體在DFC-GC界面異常積累）不同，TPT處理特異性地減少了涉及核糖體大亞基成熟的特定前體rRNA在顆粒組分中的豐度，從而維持了DFC-GC界面，形成了獨特的花朵形態。
最后，為驗證“形態差異源于特定rRNA加工中間體在界面處的差異積累”這一核心機制，研究團隊進行了順序擾動實驗：先用FVP破壞加工導致“項鏈”形態，再加入CX-5461抑制轉錄以減少錯誤中間體的產生。此聯合處理成功將形態逆轉為類似TPT誘導的“花朵”狀。該結果不僅直接證實了分子堆積模式決定形態的理論，更完美地將Deep-Phase解碼的介觀形態、分子層面的生化活動（轉錄/加工平衡）以及納米尺度的分子分布三者串聯，闡明了從分子擾動到功能輸出再到宏觀形態的完整因果鏈條。
綜上所述，本研究開發的Deep-Phase框架，建立了一個從凝聚體顯微鏡圖像中無偏、定量解讀功能狀態的強大范式，不僅實現了形態與功能的精確關聯，更通過基于形態的發現，揭示了TOP1在維持核仁組織及rRNA加工中的全新作用，深化了對凝聚體結構-功能關系的理解。
https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.05.010
制版人： 十一
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