氨基酸调控生物分子凝聚态稳定性与动力学的相分离机制研究

本研究针对氨基酸（AAs）如何影响生物分子凝聚体（BCs）稳定性与动力学的关键问题，通过多模型系统实验揭示甘氨酸通过弱结合蛋白骨架酰胺基和芳香侧链基团，差异化调控π-π堆积与电荷复合驱动的相分离过程，为靶向调控细胞内 condensates 提供了分子设计策略。

　　

在细胞这个微观宇宙中，生物分子凝聚体（Biomolecular Condensates, BCs）如同动态的功能岛屿，通过液-液相分离（Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS）机制形成，参与基因调控、应激响应等关键生命过程。然而，这些凝聚体的稳定性高度依赖于其周围的细胞内环境，其中游离氨基酸（Amino Acids, AAs）占据了哺乳动物细胞干质量的25%以上，却鲜有人知其如何精确调控凝聚体的形成与性质。传统观点认为氨基酸仅是蛋白质合成的原料，但近年研究发现它们能广泛影响蛋白质相互作用，甚至调节应激颗粒的形成。尽管如此，氨基酸与凝聚体组分间的分子互作机制及其对材料特性的调控规律仍是一片迷雾。

针对这一空白，荷兰拉德堡德大学的Xufeng Xu、Evan Spruijt团队在《Nature Communications》发表了突破性研究。他们以核仁代表性蛋白核仁蛋白1（Nucleophosmin 1, NPM1）与核糖体RNA（rRNA）形成的异型凝聚体为模型，结合多种生物物理技术，首次揭示氨基酸通过弱结合作用差异化调控不同类型凝聚体的稳定性与动力学，并提出可转移至短肽的分子设计策略，为靶向干预凝聚体相关疾病提供了新思路。

研究主要采用以下关键技术方法：1）荧光共聚焦显微镜成像分析凝聚形态与分配系数；2）荧光恢复后漂白（FRAP）技术量化蛋白质动态；3）核磁共振波谱（NMR）探测氨基酸与蛋白质的原子级结合位点；4）液相色谱-质谱联用（LC-MS）测定氨基酸分配偏好；5）微板读数器高通量筛选多种氨基酸及短肽的调控效应。所有实验均使用体外重构的凝聚体模型，未涉及临床样本队列。

甘氨酸调控NPM1-RNA凝聚体的稳定性与材料性质

研究人员发现，随着甘氨酸浓度升高，NPM1-RNA凝聚体的亮度降低、球形度下降，表明局部密度和表面张力减小。

通过定量分析，稀释相NPM1浓度增加50%，而凝聚相浓度骤降6倍，且甘氨酸主要削弱NPM1-NPM1或NPM1-RNA相互作用，而非RNA-RNA相互作用。计算得出的结合线梯度k值上升，证实净相互作用减弱。动态分析显示，甘氨酸使NPM1的荧光恢复半衰期（t_1/2）从12秒缩短至5秒，表观粘度下降50%，客户分子RP3的分配系数（K_p）从30降至8，表明凝聚体稳定性和选择性招募能力显著降低。

甘氨酸差异化调控不同驱动力的合成凝聚体

为解析多模式相互作用的贡献，团队选用四种单驱动力的合成模型系统。对于静电相互作用驱动的K72-ATP和K10-D10凝聚体，甘氨酸均引起稀释相浓度上升，促进溶解。

相反，对于π-π堆积驱动的FFssFF和阳离子-π相互作用驱动的WGR-4肽凝聚体，甘氨酸降低稀释相浓度、提高溶液浊度，促进凝聚形成。这一相反效应揭示氨基酸对凝聚体的调控具有作用力类型依赖性。

氨基酸与骨架及芳香基团的结合是调控基础

浓度依赖曲线符合Langmuir结合模型，甘氨酸与NPM1的表观解离常数（K_d）约1.0 M，属弱结合。

LC-MS和NMR测量显示氨基酸在凝聚相中优先分配（K_p≈4-6）。

NMR化学位移扰动（CSP）分析证实甘氨酸结合至蛋白质骨架的酰胺基（Gly/Val残基，K_d≈1.5-1.7 M）和芳香肽的侧链芳香基团（K_d≈1.5 M），该结合通过氨基酸主链的胺基以氢键实现。团队假设该结合提高了局部介电常数，从而削弱骨架-骨架氢键（主导静电凝聚），却增强π-π/阳离子-π相互作用。

调控效应普适于多数蛋白源性氨基酸并可转移至短肽

除谷氨酸（E）外，所有测试的氨基酸均溶解NPM1-RNA和K72-ATP凝聚体，而E轻微促进凝聚，可能因其优先排斥机制。

甘氨酸三聚体（G）₃和脯氨酸三聚体（P）₃在相同残基浓度下呈现与游离氨基酸相似的调控效果，脯氨酸八聚体（P）₈仍保持线性转移性，表明短肽能以加和方式结合蛋白质骨架。

研究结论表明，氨基酸通过主链胺基与蛋白质骨架酰胺基及芳香基团的弱结合，差异化重塑凝聚体的相互作用网络：削弱氢键主导的静电凝聚，增强π相互作用驱动的组装。

这一机制普适于多数蛋白源性氨基酸，且效应可转移至短肽，为理性设计靶向肽调节剂奠定了基础。该研究不仅深化了对细胞内凝聚体环境响应性的理解，更为干预凝聚体老化相关的神经退行性疾病（如ALS、FUS蛋白病）提供了新的分子工具开发策略，有望推动基于相分离调控的疾病治疗新范式。