撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

蛋白質(zhì)聚集是大多數(shù)神經(jīng)退行性疾病的一個關(guān)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(zhì)進行的試管實驗表明，單獨存在的蛋白質(zhì)是可溶的，聚集是一種罕見的、與濃度相關(guān)的事件，由物理化學變化或基因突變引發(fā)的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定所觸發(fā)。在細胞內(nèi)，盡管細胞內(nèi)環(huán)境十分擁擠，但同樣的蛋白質(zhì)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(nèi)形成蛋白質(zhì)聚集體。

這些致病蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性引發(fā)了以下問題：在細胞內(nèi)環(huán)境中，病理性蛋白質(zhì)聚集體是在何處以及如何形成的？特別是，可溶性蛋白質(zhì)究竟在何種實際誘因作用下會變得不可溶并引發(fā)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(shù)期刊Cell上發(fā)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(nèi)部通過兩個關(guān)鍵步驟（濃度超過閾值+氧化應激）發(fā)生凝聚物內(nèi)部分離（ Intra-condensate demixing，可以理解為在相分離中發(fā)生相分離），從而導致 TDP-43 蛋白發(fā)生病理性聚集體。

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

肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS，俗稱漸凍癥）是最具破壞性的神經(jīng)退行性疾病之一，這是一種運動神經(jīng)元疾病，患者會在癥狀出現(xiàn)后的幾年內(nèi)神經(jīng)元逐漸喪失并死亡。與該疾病最頻繁的蛋白質(zhì)是——TDP-43。TDP-43 在轉(zhuǎn)錄調(diào)控、前體 mRNA 剪接和翻譯調(diào)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(zhì)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(zhì)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(tǒng)為主的年齡相關(guān) 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(zhì)中的 TDP-43 蛋白均會形成蛋白質(zhì)聚集體，這表明 TDP-43 的核內(nèi)缺失和胞質(zhì)聚集是多種神經(jīng)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(guān)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(zhàn)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(jié)構(gòu)域（CTD）中一個 α-螺旋區(qū)域的結(jié)構(gòu)變化所導致，該區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榻徊?β-折疊片層。盡管疾病突變會加速這一轉(zhuǎn)變，但在大多數(shù)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(fā)生聚集。盡管 CTD 的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對于 TDP-43 聚集至關(guān)重要，但其實際觸發(fā)因素，尤其是在細胞環(huán)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(huán)境誘因，但其與 TDP-43 結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定之間的關(guān)聯(lián)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(fā)。

應激顆粒（Stress Granule）是在細胞受到外界環(huán)境刺激下，由 RNA 和 RNA 結(jié)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(guān)聯(lián)。

許多蛋白質(zhì)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(diào)其方向性和閾值敏感性的本質(zhì)。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(tài)上升，這種上升可能跨越臨界閾值，從而觸發(fā)相分離或聚集等下游轉(zhuǎn)變。

由于許多應激顆粒相關(guān)的 RNA 結(jié)合蛋白（RBP）與漸凍癥相關(guān)，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(guān)于細胞凝聚體在促進 TDP-43 聚集中的作用仍存在爭議。患者數(shù)據(jù)顯示，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(fā)現(xiàn)，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(fā)生于應激顆粒內(nèi)部，而是其外部，并提出應激顆粒可能通過隔離致病蛋白發(fā)揮保護作用。

這些相互矛盾的結(jié)論，使得學術(shù)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(diào)控作用。

研究團隊通過生化重構(gòu)、生物物理分析、計算機模擬及細胞遺傳學實驗發(fā)現(xiàn)，TDP-43的聚集依賴于雙重關(guān)鍵事件：1）應激顆粒內(nèi)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(xié)同觸發(fā)了凝聚物內(nèi)部分離（intra-condensate demixing），在應激顆粒內(nèi)形成富含 TDP-43 的動態(tài)液相，即獨立于應激顆粒主結(jié)構(gòu)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(nèi)發(fā)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(nèi)濃度增加 5 倍以上）、氧化修飾（高濃度環(huán)境暴露其半胱氨酸脆弱位點，發(fā)生氧化修飾），從機制上來，凝聚物內(nèi)部分離過程由以下兩個因素觸發(fā)——RNA識別基序1（RRM1）結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)域（CTD）疏水區(qū)（HP）相互作用增強（因聚集態(tài)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(jīng)元中證實，TDP-43 的動態(tài)液相會逐漸硬化，即發(fā)生液相向固相的轉(zhuǎn)變（liquid-to-solid transition），最終形成病理性的TDP-43 蛋白聚集體。

在上述發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，研究團隊設(shè)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(fā)生氧化修飾；

2、△HP 變體：刪除TDP-43 蛋白質(zhì)導致黏連的疏水區(qū)（HP）結(jié)構(gòu)域，防止其加速凝聚。

結(jié)果顯示，這兩種 TDP-43 變體能夠抵抗凝聚物內(nèi)部分離，從而有效抑制細胞內(nèi) 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(nèi)部分離現(xiàn)象不僅在漸凍癥小鼠模型中被發(fā)現(xiàn)，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(jīng)退行性疾病的發(fā)病直接相關(guān)。

該研究的核心發(fā)現(xiàn)：

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

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

• 半胱氨酸氧化和疏水區(qū)（HP）交聯(lián)驅(qū)動 TDP-43 分離及液-固相變；

• 阻止凝聚物內(nèi)部分離可防止運動神經(jīng)元中 TDP-43 聚集。

總的來說，該研究表明，應激顆粒可通過關(guān)鍵的凝聚物內(nèi)部分離凝聚物內(nèi)部分離（intra-condensate demixing）機制充當“熔爐”（crucibles），驅(qū)動 TDP-43 蛋白的病理性聚集。該研究首次提出：凝聚體內(nèi)升濃縮效應與環(huán)境壓力暴露的協(xié)同作用，為解釋細胞內(nèi)蛋白質(zhì)異常聚集的普遍范式提供了新視角，也為多種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)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