To infinity and beyond:神經退行性疾病豈止於「相分離」

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撰文、編譯 | 十一月

相分離領域的研究愈加火熱，為此Science開辦了特別專欄對現階段相分離領域的研究進行了系統性綜述和介紹。套用《玩具總動員》中巴斯光年的口頭禪來介紹現在的相分離領域，可以說是「飛向宇宙，浩瀚無垠」（To infinity and beyond），我們可能在早上夢醒時分刷新推送發現新的小領域中的大分子被發現存在相分離現象，從頭髮絲兒到紡錘體、從應激脅迫小體到神經退行性疾病，各個領域的相分離現象層出不窮。

「To infinity and beyond！」

為了讓大家對相分離領域在神經退行性疾病的病理學方面地研究進行了解，2020年10月2日，St Jude兒童研究醫院J. Paul Taylor以及華盛頓大學Rohit V. Pappu合作在Science上發表綜述文章題為Beyond aggregation: Pathological phase transitions in neurodegenerative disease，為我們介紹了在神經退行性疾病方面的相分離的研究進展。

在過去的十年中，相分離已經逐漸成為細胞組織的一種基本機制。與此同時，大量積累的證據表明，相分離的異常是多種神經退行性疾病發病機制中的早期誘發事件之一。作者們從包括從單個蛋白的相分離到神經退行性疾病中複雜、多組分凝聚物的動態行為等多個層面的研究進行了總結和介紹。在該綜述中，作者們對兩個關鍵概念進行了強調：動態性阻滯機制（Dynamical arrest）與異型緩衝機制（Heterotypic buffering），這兩個關鍵詞是對神經退行性疾病以及與之相關的相分離現象參與其中可能機制的理解。

疾病蛋白通過同型相互作用發生相分離現象

超過系統特定的閾值濃度後大分子溶液可以分為兩個共存的相：富含大分子的緻密相（Dense phase）和缺乏大分子的稀釋相（Dilute phase）。很多與神經退行性疾病相關的蛋白比如tau、α-synuclein、TDP-43、hnRNPA1、TIA1以及FUS都能夠在體外形成纖維【1-4】。一直以來，這種現象都被大家稱為聚集（Aggregation），但其實相分離和聚集是兩種不同的現象。相分離指的是同型相互作用介導的纖維形成，而聚集往往指的是大分子之間的粘附。從2015年開始，科學家們陸續發現神經退行性疾病相關的蛋白不僅會組裝形成纖維狀固體還會通過液-液相分離的現象形成液滴，比如hnRNPA1、TDP-43以及FUS【5-8】。纖維的形成是由初級成核作用和次級成核作用所介導9，也有可能通過緻密液相從液態向固態的相變過程介導的（圖1）。神經退行性疾病在相關蛋白的內在無序序列結構域的致病性突變會顯著地降低液-液相分離形成的濃度閾值。除此之外，細胞內的生物物理性質的改變或者化學修飾比如翻譯後修飾的變化也會對液-液相分離過程的閾值產生一定的影響。

圖1 神經退行性疾病相關的大分子纖維形成的兩種機制

神經退行性疾病蛋白組成複雜的相分離凝聚物

常見的體外純化蛋白經歷的相分離過程都是同型相互作用，但實際上細胞中的生理以及致病的病理狀況是非常複雜的。因此，細胞是由多組分系統經歷相分離的形成與溶解並由同型相互作用和異型相互作用所共同介導的（圖2）【10】。生物大分子的凝聚物為細胞中多組分以及生物化學反應提供了重要的時間和空間調控作用。另外，相分離凝聚物也可以在緻密液相中的提供隔離的作用，負向調節在稀釋相中的生物活性。凝聚物也可以用以組織更高階的複雜結構，比如核仁的組裝等過程。

圖2 細胞中的相分離是由同型相互作用和異型相互作用所共同介導的

複雜生物大分子凝聚物的動態調控過程

生物大分子凝聚物的動態性反映了它們組裝過程中的相互作用特徵：弱的、瞬時的多價生物分子形成的相互作用過程。凝聚物的材料特徵在其中發揮著關鍵作用，其中包括黏性（Viscosity）、彈性（Elasticity）以及表面張力（Surface tension）等。這些特性是被穩固調控的，因為這些特性會涉及到生物大分子在緻密相中的空間組裝以及擴散以及進行緻密相的大分子的選擇性透過的作用等等。

但是，神經退行性疾病發生過程中這些材料特性的調節可能會出現問題。抑制潛在有害的過度同型相互作用的主要因素是凝聚物內異型相互作用的功能網絡的集體效應，作者們把該效應稱為異型緩衝。異型緩衝作用可以阻止異常的、致病的蛋白或者其他生物大分子的凝聚和成核作用（圖1）。因此，對於凝聚物中動態網絡的改變比如異型緩衝作用的破壞可能會導致動態阻滯現象或者是病理性的液態-固態相變過程的發生，最終導致神經退行性疾病。

生物大分子凝聚物材料特性的改變最終導致疾病主要通過兩個密不可分的結果組成：對正常凝聚物功能的損害以及有毒害作用的蛋白凝聚物的產生。蛋白中多種多樣的疾病相關的突變也是造成大分子凝聚物動態性阻滯現象發生的重要原因。除了蛋白質之外，作者們還對RNA分子驅動和參與相分離過程的研究進行了總結，這些RNA驅動的病理性相分離過程與蛋白質相似。

總的來說，在超過十年的研究中，對於神經退行性疾病相關的錯誤摺疊以及有毒性的蛋白質出現病理性相分離過程已經是大家的普遍共識之一。神經退行性疾病中細胞的功能異常主要包括兩個部分：1）動態性阻滯導致的生物大分子凝聚物材料特性的改變；2）病理性的液態-固態的相分離。據此，扭轉神經退行性疾病中生物大分子的這些缺陷可能會成為臨床治療手段的參考原理之一。對於神經退行性疾病相關的生物大分子凝聚物動態性阻滯的原因、病理性液態-固態的相分離以及異型緩衝作用的出現缺陷的具體機制的研究將為未來神經退行性疾病潛在治療策略的制定鋪平道路。

原文連結：

https://science.sciencemag.org/content/370/6512/56

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