中国博后一作Cell论文：在相分离中发生相分离，是渐冻症及痴呆症等疾病的关键致病机制

来源：生物世界 2025-05-26 14:00

该研究表明，TDP-43 蛋白在应激颗粒内部通过两个关键步骤（浓度超过阈值+氧化应激）发生凝聚物内部分离，从而导致TDP-43 蛋白发生病理性聚集体。

蛋白质聚集是大多数神经退行性疾病的一个关键特征，例如中的Tau 蛋白聚集以及中的 -突触核蛋白（ -Syn）聚集。

用纯化的致病蛋白质进行的试管实验表明，单独存在的蛋白质是可溶的，聚集是一种罕见的、与浓度相关的事件，由物理化学变化或基因突变引发的结构不稳定所触发。在细胞内，尽管细胞内环境十分拥挤，但同样的蛋白质通常却具有很高的溶解性。例如，仅过量表达 Tau 蛋白或 -突触核蛋白，不足以在细胞内形成蛋白质聚集体。

这些致病蛋白质的稳定性引发了以下问题：在细胞内环境中，病理性蛋白质聚集体是在何处以及如何形成的？特别是，可溶性蛋白质究竟在何种实际诱因作用下会变得不可溶并引发聚集过程？

2025 年 5 月 23日，马克斯 普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所（MPI-CBG）AnthonyHyman团队（博士后闫啸等人为第一作者）在国际顶尖学术期刊Cell上发表了题为：Intra-condensate demixing of TDP-43 inside stress granules generates pathological aggregates的研究论文。

该研究表明，TDP-43蛋白在应激颗粒内部通过两个关键步骤（浓度超过阈值+氧化应激）发生凝聚物内部分离（Intra-condensate demixing，可以理解为在相分离中发生相分离），从而导致TDP-43 蛋白发生病理性聚集体。

这一发现破解了TDP-43蛋白在渐冻症（ALS）和额颞叶痴呆（FTD）等神经退行性疾病中的关键致病机制，为细胞内蛋白质聚集提出了一种普遍机制，也为神经退行性疾病的干预提供了全新思路。 肌萎缩侧索硬化症（ALS，俗称渐冻症）是最具破坏性的神经退行性疾病之一，这是一种运动神经元疾病，患者会在症状出现后的几年内神经元逐渐丧失并死亡。与该疾病最频繁的蛋白质是 TDP-43。TDP-43 在转录调控、前体 mRNA 剪接和翻译调控方面具有重要功能。由于存在核定位信号（NLS），TDP-43 主要定位于细胞核，该信号可被输入蛋白识别。在生理条件下，细胞质中的 TDP-43 浓度较低，但应激压力会导致其被动泄漏到细胞质中。

在约 97% 的渐冻症、约 45% 的额颞叶痴呆（FTD）以及所有的边缘系统为主的年龄相关 TDP-43 脑病（LATE，该疾病症状与阿尔茨海默病非常相似）病例中，错误定位到细胞质中的 TDP-43 蛋白均会形成蛋白质聚集体，这表明TDP-43 的核内缺失和胞质聚集是多种神经退行性疾病的普遍特征。

TDP-43 聚集可能会因错误定位和/或通过隔离关键细胞因子而获得毒性，从而导致功能丧失。因此，渐冻症研究中的一个核心挑战在于确定导致 TDP-43 聚集的诱因。

TDP-43 聚集被认为是由其 C 端结构域（CTD）中一个 -螺旋区域的结构变化所导致，该区域转变为交叉 -折叠片层。尽管疾病突变会加速这一转变，但在大多数渐冻症/额颞叶痴呆的病例中，即使没有基因突变，TDP-43 蛋白也会发生聚集。尽管 CTD 的结构转变对于 TDP-43 聚集至关重要，但其实际触发因素，尤其是在细胞环境中，仍不清楚。氧化应激已被认为是可改变半胱氨酸残基的环境诱因，但其与 TDP-43 结构不稳定之间的关联仍有待确定。这种认识上的不足阻碍了渐冻症/额颞叶痴呆等疾病治疗手段的开发。

应激颗粒（Stress Granule）是在细胞受到外界环境刺激下，由 RNA 和RNA 结合蛋白（RBP）通过液-液相分离（LLPS）形成的颗粒状生物大分子凝聚物，人类遗传学研究表明，渐冻症/额颞叶痴呆与应激颗粒之间存在很强的关联。

许多蛋白质在应激颗粒中高度浓缩，研究团队将这一过程称为 升浓缩 （up-concentration），以强调其方向性和阈值敏感性的本质。与 富集 （enrichment）这一被动概念不同， 升浓缩 （up-concentration）反映了应激压力或信号诱导的浓度动态上升，这种上升可能跨越临界阈值，从而触发相分离或聚集等下游转变。

由于许多应激颗粒相关的RNA 结合蛋白（RBP）与渐冻症相关，因此，研究人员推测应激颗粒可能是此类疾病的潜在 温床 。然而，关于细胞凝聚体在促进 TDP-43 聚集中的作用仍存在争议。患者数据显示，病理性的 TDP-43 聚集体含有应激颗粒蛋白（例如 TIA-1、eIF3、ataxin-2 和 PABP-1）。事实上，近期对患者样本的组织病理学研究发现，早期渐冻症的脊髓包涵体中存在应激颗粒标志物 人类抗原R（HuR）。但也有研究指出，TDP-43 的聚集并非发生于应激颗粒内部，而是其外部，并提出应激颗粒可能通过隔离致病蛋白发挥保护作用。

这些相互矛盾的结论，使得学术界难以就应激颗粒在 TDP-43 聚集中的作用达成。

在这项最新研究中，研究团队旨在阐明应激颗粒（stress granules）在 TDP-43 聚集中的调控作用。

研究团队通过生化重构、生物物理分析、计算机模拟及细胞遗传学实验发现，TDP-43的聚集依赖于双重关键事件：1）应激颗粒内的升浓缩效应（up-concentration）超过临界阈值；2）氧化应激。这两个事件协同触发了凝聚物内部分离（intra-condensate demixing），在应激颗粒内形成富含 TDP-43 的动态液相，即独立于应激颗粒主结构的致密小液滴。

也就是说，原本正常的TDP-43 蛋白在应激颗粒内发生了两次致命蜕变 浓度爆增（分散在细胞中的TDP-43 蛋白在应激颗粒内浓度增加 5 倍以上）、氧化修饰（高浓度环境暴露其半胱氨酸脆弱位点，发生氧化修饰），从机制上来，凝聚物内部分离过程由以下两个因素触发 RNA识别基序1（RRM1）结构域的局部解折叠（通过暴露半胱氨酸残基促进分子间二硫键形成）；C 端结构域（CTD）疏水区（HP）相互作用增强（因聚集态下分子间距缩短，疏水作用显著放大）。

研究团队进一步证实，在 HeLa 细胞和诱导多能（iPSC）来源的运动神经元中证实，TDP-43 的动态液相会逐渐硬化，即发生液相向固相的转变（liquid-to-solid transition），最终形成病理性的TDP-43 蛋白聚集体。

在上述发现的基础上，研究团队设计了两种防止上述变化的TDP-43 蛋白变体

1、C175V 变体：锁死TDP-43 蛋白中易氧化的半胱氨酸，防止其发生氧化修饰；

2、△HP 变体：删除TDP-43 蛋白质导致黏连的疏水区（HP）结构域，防止其加速凝聚。

结果显示，这两种 TDP-43 变体能够抵抗凝聚物内部分离，从而有效抑制细胞内TDP-43 蛋白聚集，提示靶向凝聚物分相过程的潜在治疗价值。

此外，TDP-43 蛋白在应激颗粒中的凝聚物内部分离现象不仅在渐冻症小鼠模型中被发现，也存在于渐冻症及额颞叶痴呆患者的大脑病理样本中，表明了其与神经退行性疾病的发病直接相关。

该研究的核心发现：

应激颗粒促进细胞、小鼠以及渐冻症/额颞叶痴呆患者体内 TDP-43 蛋白的聚集； 升浓缩（up-concentration）和氧化通过凝聚物内部分离引发 TDP-43 聚集； 半胱氨酸氧化和疏水区（HP）交联驱动 TDP-43 分离及液-固相变； 阻止凝聚物内部分离可防止运动神经元中 TDP-43 聚集。

总的来说，该研究表明，应激颗粒可通过关键的凝聚物内部分离凝聚物内部分离（intra-condensate demixing）机制充当 熔炉 （crucibles），驱动 TDP-43 蛋白的病理性聚集。该研究首次提出：凝聚体内升浓缩效应与环境压力暴露的协同作用，为解释细胞内蛋白质异常聚集的普遍范式提供了新视角，也为多种神经退行性疾病的发表机制和治疗带来了新思路。

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