導讀
細胞被許多膜封閉的細胞器和無膜隔室分隔，以確保以時空受控的方式發生各種各樣的細胞活動。膜結合的細胞器動力學的分子機制，如它們的融合和裂變，囊泡介導的運輸和膜接觸介導的細胞間相互作用已被廣泛表徵。然而，無膜隔室的組裝和功能的分子細節仍然難以捉摸。
最近有越來越多的證據表明，大量的無膜隔室（統稱為生物大分子冷凝物）是透過液-液相分離（LLPS）組裝而成的。相分離的冷凝物參與各種生物學活動，包括高階染色質組織，基因表達，錯誤摺疊或不需要的蛋白質的分類以進行自噬降解，訊號簇的組裝以及基於肌動蛋白和微管的細胞骨架網路的組裝，細胞命運決定簇的不對稱分離以及突觸前和突觸後密度訊號傳導元件的形成。
2021年1月11日，賓夕法尼亞大學醫學院的團隊在Trends Biochem Sci上發表了標題為：“FUS and TDP-43 Phases in Health and Disease”的綜述文章。該綜述透過闡述TDP-43和FUS蛋白的序列，結構，翻譯後修飾和RNA如何影響RNA結合蛋白（RBP）的自組裝，討論瞭如何利用對FUS和TDP-43液-液分離（LLPS）和聚集的新認識來設計用於神經退行性疾病的新療法，例如肌萎縮性側索硬化症（ALS），額顳痴呆（FTD）和邊緣性年齡相關的TDP-43腦病（晚期）。
1. 功能相分離是中尺度的生物學現象
人們認為許多冷凝物是透過液相-液相分離（LLPS）或液相-凝膠相變過程而產生的，可以用相圖（圖1A）進行描述。LLPS的基本原理是多價，即一種生物分子同時與自身的多個其他複製（同型相分離）或與多種其他生物分子（異型相分離）相互作用的能力。就蛋白質而言，內在無序區域（IDR）經常但並非唯一地促進了多價，該區域缺乏穩定的3D結構，其結構異質性使得相互作用的基序可以多種方向展示。
LLPS能夠使生物分子進行類似開關的縮合，從而導致稀釋（輕）相和濃縮（緻密）相的濃度相差> 50倍（圖1A）。可以透過改變分子之間的相互作用強度（例如，透過翻譯後修飾）或透過成核高的區域性濃度（例如，透過將多個分子停靠在支架上，如圖1B所示，RNA或poly (ADP-ribose) (PAR)，來調整LLPS -核糖））。
這樣，細胞可以快速改變有效蛋白質濃度，而無需蛋白質合成或降解所固有的時間和能量消耗。對於FUS和TDP-43等調節蛋白，這種相分離可以促進刺激響應性基因表達程式。相反，異常的相分離可能是由緻密相的敏感性，持續時間，可逆性，區域性化或組成的改變引起的。
圖1.模型相變
（A）描述同型相分離的相圖。越過相界會導致混合均勻的溶液（位置1）過渡到到具有輕相和緻密相（位置2）兩相溶液。進一步增加濃度（位置3）會增加緻密相的體積分數，而不會改變輕質或緻密相的濃度。
（B）高比例的RNA：RNA結合蛋白（RBP），包括FUS和TDP-43，可以防止相分離和聚集。相反，較低的RNA與RBP比率可導致與單個RNA結合的蛋白質的多個複製，從而產生較高的區域性蛋白質濃度，並促進RBP之間的分子間相互作用，從而使相變成核。
2.FUS和TDP-43調節液相-液相分離（LLPS）
FUS的1-239殘基帶有阮毒樣結構域（PrLD），其後是延伸至殘基267的富含甘氨酸的區域，RNA識別基序（RRM），兩個富含精氨酸-甘氨酸的區域（RGG），鋅指（ZnF）域和PY核定位訊號（PY-NLS）。PrLD中低複雜度的富含芳族的紐結段（LARKS）能夠形成同型交叉β相互作用。RGG結構域中的精氨酸殘基和PrLD中的酪氨酸殘基可形成分子內（橙色箭頭）和分子間相互作用。
RRM，RGG和ZnF結構域進一步介導FUS和RNA分子之間的相互作用（黑色箭頭）。RGG結構域還與聚（ADP核糖）（PAR）（紅色箭頭）相互作用。PY-NLS與調節FUS縮合的importins相互作用（紫色箭頭）。總而言之，這些相互作用透過翻譯後修飾和諸如RNA和PAR等支架調節的分子間和分子間相互作用來控制FUS裝配。
圖2.調節FUS LLPS的互動介面
TDP-43由一個N末端域（NTD）組成，可形成同型相互作用（橙色箭頭），幷包含一個帶有兩個聚（ADP核糖）（PAR）結合的核定位訊號（NLS）（紅色箭頭）。NLS也與importins結合，可以調節TDP-43的縮合（紫色箭頭）。NTD之後是兩個RNA識別基序（RRM）域和阮病毒樣結構域（PrLD）。
兩個RRM結構域促進TDP-43與RNA分子之間的相互作用（黑色箭頭），這對於調節TDP-43 LLPS非常重要。PrLD本身包含各種能夠與TDP-43其他副本形成分子間相互作用的子域（上）。
這些子域包括一個具有α螺旋傾向的區域，一個富含Q / N的區域，多個拉鍊以及LARKS。
圖3.調節TDP-43 LLPS的相互作用介面
結語
FUS和TDP-43是PrLD介導的自組裝成具有一系列材料特性的冷凝液的原型。對這些蛋白質的進一步研究可能會進一步揭示新的生物學機制，並擴充套件到其他的PrLD RBPs。儘管它們有相似之處，但它們遵循不同的分子語法，受到不同的調節模式，並以不同的疾病形式聚集。因此，他們暗示了人類蛋白質組中含PrLD的蛋白質的多樣化集合可能會形成細胞冷凝物的複雜性。
他們共同指出，探索改變的RNP顆粒動力學是探索致命性神經退行性疾病的新治療方法的生物學框架。需要蛋白質組學，轉錄組學，影像學，遺傳學和流行病學資料進行系統規模的整合，提供假設並指導藥物篩選策略以對抗這些疾病。
參考文獻：
Portz B, Lee BL, Shorter J. FUS and TDP-43 Phases in Health and Disease. Trends in biochemical sciences. 2021.
校審： 胖兔子可可 (Brainnews編輯部)