分子伴侣介导的tau蛋白异质性相分离调控液态-固态相变抑制淀粉样纤维形成机制研究

本研究揭示了热休克蛋白40（Ydj1）通过多重相互作用促进tau蛋白异质性相分离，利用多色成像、时间分辨荧光各向异性、振动拉曼光谱和单分子FRET等技术，发现Ydj1能阻断tau液滴向淀粉样纤维的病理转变，为神经退行性疾病中蛋白质稳态调控提供了新机制。

　　

在神经细胞中，tau蛋白作为微管相关蛋白对维持细胞骨架网络至关重要。然而，这种本质无序蛋白（IDP）易发生异常相变，形成淀粉样纤维聚集物，这是阿尔茨海默病等tau蛋白病的标志性病理特征。近年研究发现，生物分子凝聚体（biomolecular condensates）可通过液相分离（LLPS）形成无膜细胞器，但这类液态凝聚体可能发生病理性液态-固态相变。尽管分子伴侣在维持蛋白质稳态中的作用已被广泛认识，但其如何调控tau蛋白相分离和相变的具体机制仍不清楚。

中国科学院的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中，以酵母热休克蛋白40（Ydj1）为模型，系统研究了其对人tau蛋白相行为的调控机制。研究采用多色Airyscan共聚焦成像、荧光漂白恢复（FRAP）、荧光相关光谱（FCS）、时间分辨荧光各向异性、振动拉曼光谱和单分子荧光共振能量转移（smFRET）等技术，揭示了Ydj1通过结合tau蛋白的微管结合区（MTBR）中的淀粉样原性六肽基序，抑制其纤维形成的分子机制。

Ydj1促进tau蛋白相分离
研究发现，tau蛋白在低盐条件下能自发形成液态凝聚体，而Ydj1虽不能单独相分离，却能与tau协同形成异质性凝聚体。通过构建二维相图，证实tau-Ydj1在1:1比例时表现出最强的共相分离倾向。FRAP和FCS实验显示，Ydj1在凝聚体中的扩散速度较tau慢，表明形成了更紧密的蛋白质网络。

静电与疏水相互作用的协同调控
温度升高促进tau-Ydj1凝聚体形成，表现出低临界溶解温度（LCST）行为。盐浓度增加则破坏相分离，表明静电相互作用的关键作用。通过构建磷酸化模拟突变体（tau 4E和tau 17E），发现tau净电荷的改变显著影响其与Ydj1的共相分离能力，证实了静电相互作用的重要性。

tau蛋白中央疏水区的关键作用
截断体实验表明，包含MTBR的C端片段（151-391）与Ydj1的共相分离能力最强。特别地，删除淀粉样原性六肽基序PHF6（³⁰⁶
VQIVYK³¹¹
）显著削弱相分离，而删除PHF6*（²⁷⁵
VQIINK²⁸⁰
）影响较小。荧光各向异性测量显示，MTBR区域在凝聚体中呈现最高有序性，证实该区域是Ydj1的主要结合位点。

RNA介导的相行为调控
在tau-Ydj1-RNA三元系统中，低浓度RNA（5-40 ng/μl）维持液态凝聚体性质，但使Ydj1扩散加快；高浓度RNA则导致凝聚体溶解，呈现典型的再进入相行为。三色成像证实RNA与蛋白质共定位，其FRAP恢复较慢，表明形成了致密的RNA-蛋白质网络。

Ydj1阻断液态-固态相变
硫黄素T（ThT）聚集实验显示，tau液滴会自发形成淀粉样纤维，而Ydj1能完全抑制这一过程。拉曼光谱证实，tau-Ydj1凝聚体在老化过程中未出现淀粉样特征峰（~1675 cm^-1
），而是形成非淀粉样蛋白聚集体。值得注意的是，Ydj1在亚化学计量比浓度下即表现出显著抑制效果。

单分子FRET揭示构象变化
通过构建双半胱氨酸tau突变体（Q244C-S322C和Q244C-S400C），smFRET研究发现tau在Ydj1介导的相分离中发生构象扩展。特别是R1-R3区域（244-322对）的FRET效率从单体态的~0.4降至凝聚态的~0.2，表明该区域展开并暴露疏水核心，为Ydj1结合创造条件。

这项研究阐明了Hsp40分子伴侣通过异质性相分离调控tau蛋白稳态的新机制：Ydj1结合tau的PHF6基序，阻断其病理性相变，同时维持液态凝聚体的动态性。这一发现不仅为理解tau蛋白病的发病机制提供了新视角，也为开发针对蛋白质相变异常的神经退行性疾病治疗策略奠定了理论基础。研究揭示的"构象扩展-分子伴侣结合-相变抑制"机制可能普遍适用于其他淀粉样蛋白的调控，为蛋白质质量控制网络的功能研究开辟了新方向。