撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

蛋白質聚集是大多數神經退行性疾病的一個關鍵特征，例如阿爾茨海默病中的Tau 蛋白聚集以及帕金森病中的α-突觸核蛋白（α-Syn）聚集。

用純化的致病蛋白質進行的試管實驗表明，單獨存在的蛋白質是可溶的，聚集是一種罕見的、與濃度相關的事件，由物理化學變化或基因突變引發的結構不穩定所觸發。在細胞內，盡管細胞內環境十分擁擠，但同樣的蛋白質通常卻具有很高的溶解性。例如，僅過量表達 Tau 蛋白或 α-突觸核蛋白，不足以在細胞內形成蛋白質聚集體。

這些致病蛋白質的穩定性引發了以下問題：在細胞內環境中，病理性蛋白質聚集體是在何處以及如何形成的？特別是，可溶性蛋白質究竟在何種實際誘因作用下會變得不可溶并引發聚集過程？

2025 年 5 月 23日，馬克斯· 普朗克 分子細胞生物學與遺傳學研究所（ MPI-CBG）AnthonyHyman團隊（博士后閆嘯等人為第一作者） 在國際頂尖學術期刊Cell上發表了題為：Intra-condensate demixing of TDP-43 inside stress granules generates pathological aggregates 的研究論文。

該研究表明，TDP-43蛋白在應激顆粒內部通過兩個關鍵步驟（濃度超過閾值+氧化應激）發生凝聚物內部分離（ Intra-condensate demixing，可以理解為在相分離中發生相分離），從而導致 TDP-43 蛋白發生病理性聚集體。

這一發現破解了TDP-43蛋白在漸凍癥（ALS）和額顳葉癡呆（FTD）等神經退行性疾病中的關鍵致病機制，為細胞內蛋白質聚集提出了一種普遍機制，也為神經退行性疾病的干預提供了全新思路。

肌萎縮側索硬化癥（ALS，俗稱漸凍癥）是最具破壞性的神經退行性疾病之一，這是一種運動神經元疾病，患者會在癥狀出現后的幾年內神經元逐漸喪失并死亡。與該疾病最頻繁的蛋白質是——TDP-43。TDP-43 在轉錄調控、前體 mRNA 剪接和翻譯調控方面具有重要功能。由于存在核定位信號（NLS），TDP-43 主要定位于細胞核，該信號可被輸入蛋白識別。在生理條件下，細胞質中的 TDP-43 濃度較低，但應激壓力會導致其被動泄漏到細胞質中。

在約 97% 的漸凍癥、約 45% 的額顳葉癡呆（FTD）以及所有的邊緣系統為主的年齡相關 TDP-43 腦病（LATE，該疾病癥狀與阿爾茨海默病非常相似）病例中，錯誤定位到細胞質中的 TDP-43 蛋白均會形成蛋白質聚集體，這表明 TDP-43 的核內缺失和胞質聚集是多種神經退行性疾病的普遍特征。

TDP-43 聚集可能會因錯誤定位和/或通過隔離關鍵細胞因子而獲得毒性，從而導致功能喪失。因此，漸凍癥研究中的一個核心挑戰在于確定導致 TDP-43 聚集的誘因。

TDP-43 聚集被認為是由其 C 端結構域（CTD）中一個 α-螺旋區域的結構變化所導致，該區域轉變為交叉 β-折疊片層。盡管疾病突變會加速這一轉變，但在大多數漸凍癥/額顳葉癡呆的病例中，即使沒有基因突變，TDP-43 蛋白也會發生聚集。盡管 CTD 的結構轉變對于 TDP-43 聚集至關重要，但其實際觸發因素，尤其是在細胞環境中，仍不清楚。氧化應激已被認為是可改變半胱氨酸殘基的環境誘因，但其與 TDP-43 結構不穩定之間的關聯仍有待確定。這種認識上的不足阻礙了漸凍癥/額顳葉癡呆等疾病治療手段的開發。

應激顆粒（Stress Granule）是在細胞受到外界環境刺激下，由 RNA 和 RNA 結合蛋白（RBP）通過液-液相分離（LLPS）形成的顆粒狀生物大分子凝聚物，人類遺傳學研究表明，漸凍癥/額顳葉癡呆與應激顆粒之間存在很強的關聯。

許多蛋白質在應激顆粒中高度濃縮，研究團隊將這一過程稱為“升濃縮”（up-concentration），以強調其方向性和閾值敏感性的本質。與“富集”（enrichment）這一被動概念不同，“升濃縮”（up-concentration）反映了應激壓力或信號誘導的濃度動態上升，這種上升可能跨越臨界閾值，從而觸發相分離或聚集等下游轉變。

由于許多應激顆粒相關的 RNA 結合蛋白（RBP）與漸凍癥相關，因此，研究人員推測應激顆粒可能是此類疾病的潛在“溫床”。然而，關于細胞凝聚體在促進 TDP-43 聚集中的作用仍存在爭議?；颊邤祿@示，病理性的 TDP-43 聚集體含有應激顆粒蛋白（例如 TIA-1、eIF3、ataxin-2 和 PABP-1）。事實上，近期對患者樣本的組織病理學研究發現，早期漸凍癥的脊髓包涵體中存在應激顆粒標志物——人類抗原R（HuR）。但也有研究指出，TDP-43 的聚集并非發生于應激顆粒內部，而是其外部，并提出應激顆?？赡芡ㄟ^隔離致病蛋白發揮保護作用。

這些相互矛盾的結論，使得學術界難以就應激顆粒在 TDP-43 聚集中的作用達成共識。

在這項最新研究中，研究團隊旨在闡明應激顆粒（stress granules）在 TDP-43 聚集中的調控作用。

研究團隊通過生化重構、生物物理分析、計算機模擬及細胞遺傳學實驗發現，TDP-43的聚集依賴于雙重關鍵事件：1）應激顆粒內的升濃縮效應（up-concentration）超過臨界閾值；2）氧化應激。這兩個事件協同觸發了凝聚物內部分離（intra-condensate demixing），在應激顆粒內形成富含 TDP-43 的動態液相，即獨立于應激顆粒主結構的致密小液滴。

也就是說，原本正常的 TDP-43 蛋白在應激顆粒內發生了兩次致命蛻變——濃度爆增（分散在細胞中的 TDP-43 蛋白在應激顆粒內濃度增加 5 倍以上）、氧化修飾（高濃度環境暴露其半胱氨酸脆弱位點，發生氧化修飾），從機制上來，凝聚物內部分離過程由以下兩個因素觸發——RNA識別基序1（RRM1）結構域的局部解折疊（通過暴露半胱氨酸殘基促進分子間二硫鍵形成）；C 端結構域（CTD）疏水區（HP）相互作用增強（因聚集態下分子間距縮短，疏水作用顯著放大）。

研究團隊進一步證實，在 HeLa 細胞和誘導多能干細胞（iPSC）來源的運動神經元中證實，TDP-43 的動態液相會逐漸硬化，即發生液相向固相的轉變（liquid-to-solid transition），最終形成病理性的TDP-43 蛋白聚集體。

在上述發現的基礎上，研究團隊設計了兩種防止上述變化的TDP-43 蛋白變體——

1、C175V 變體：鎖死TDP-43 蛋白中易氧化的半胱氨酸，防止其發生氧化修飾；

2、△HP 變體：刪除TDP-43 蛋白質導致黏連的疏水區（HP）結構域，防止其加速凝聚。

結果顯示，這兩種 TDP-43 變體能夠抵抗凝聚物內部分離，從而有效抑制細胞內 TDP-43 蛋白聚集，提示靶向凝聚物分相過程的潛在治療價值。

此外，TDP-43 蛋白在應激顆粒中的凝聚物內部分離現象不僅在漸凍癥小鼠模型中被發現，也存在于漸凍癥及額顳葉癡呆患者的大腦病理樣本中，表明了其與神經退行性疾病的發病直接相關。

該研究的核心發現：

• 應激顆粒促進細胞、小鼠以及漸凍癥/額顳葉癡呆患者體內 TDP-43 蛋白的聚集；

• 升濃縮（up-concentration）和氧化通過凝聚物內部分離引發 TDP-43 聚集；

• 半胱氨酸氧化和疏水區（HP）交聯驅動 TDP-43 分離及液-固相變；

• 阻止凝聚物內部分離可防止運動神經元中 TDP-43 聚集。

總的來說，該研究表明，應激顆?？赏ㄟ^關鍵的凝聚物內部分離凝聚物內部分離（intra-condensate demixing）機制充當“熔爐”（crucibles），驅動 TDP-43 蛋白的病理性聚集。該研究首次提出：凝聚體內升濃縮效應與環境壓力暴露的協同作用，為解釋細胞內蛋白質異常聚集的普遍范式提供了新視角，也為多種神經退行性疾病的發表機制和治療帶來了新思路。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00509-4