金属诱导纳米级簇化启动蛋白质液-液相分离的分子机制研究

本研究针对蛋白质液-液相分离(LLPS)的起始机制这一关键科学问题，通过小泛素样修饰蛋白(SUMO)模型，首次揭示了非特异性弱金属配位如何通过铜离子(Cu2+)介导的纳米级簇化触发蛋白质相变。研究人员发现SUMO表面存在两个弱Cu2+结合位点，通过金属桥联形成动态纳米簇，进而引发相分离。该工作为理解金属离子调控生物分子凝聚体组装提供了精确研究范式，对认识细胞无膜细胞器形成机制具有重要意义。

　　

在生命活动的精密调控中，蛋白质液-液相分离(LLPS)如同细胞内的"分子魔术"，通过动态形成无膜细胞器来精确控制生命过程。然而这场魔术的"开场动作"——相分离的起始机制始终蒙着神秘面纱。传统观点认为，固有无序蛋白(IDPs)因其柔性结构更易发生相变，但越来越多的证据显示，结构明确的模块化蛋白质也能通过特定相互作用形成生物分子凝聚体。更令人困惑的是，金属离子这一生命体系中无处不在的"配角"，竟被发现能显著影响相分离过程，但其分子机制却鲜为人知。

中国科学技术大学化学与材料科学学院的研究团队在《Cell Reports》发表的研究，以酵母小泛素样修饰蛋白(SUMO)为模型，解开了金属离子调控相分离的分子密码。SUMO作为结构明确的非金属结合蛋白，其相变过程犹如一面镜子，清晰映照出金属配位如何触发蛋白质从分散状态到凝聚态的转变。研究人员发现，看似无序的弱金属结合位点，实则是启动相分离的精密"开关"。

研究团队运用了多项前沿技术：质谱光度法(MP)实时监测纳米级蛋白簇动态，离子淌度质谱(IM-MS)解析金属结合构象，核磁共振(NMR)精确定位Cu²⁺结合位点，结合荧光相关光谱(FCS)和荧光恢复实验(FRAP)验证凝聚体流动性。这些技术形成了从原子尺度到微米尺度的多维度研究体系。

金属诱导的相变现象
通过系统筛选发现，在12%聚乙二醇(PEG)条件下，仅Cu²⁺能显著促进SUMO相分离，形成直径数微米的液滴。有趣的是，这种相变具有完全可逆性——加入乙二胺四乙酸(EDTA)螯合金属后，浑浊溶液立即恢复澄清。荧光标记实验显示，液滴内蛋白扩散系数达80%恢复率，证实其为典型的液态凝聚体。

金属结合的分子基础
NMR滴定结合质谱分析揭示了SUMO表面存在两个弱Cu²⁺结合域：一个由E22/H24/K39/K41组成，另一个含H93/R94/H100残基。这些位点如同"分子磁铁"，通过不饱和配位实现蛋白质间金属桥联。同位素标记显示，每个SUMO可结合1-2个Cu²⁺，形成[SUMO+Cu]和[SUMO+2Cu]复合物。

纳米簇的起始作用
质谱光度法捕捉到相变前期的关键证据：在显微镜尚不可见的纳米尺度(40-5000 kDa)，Cu²⁺已促使SUMO形成动态簇集体。这些"分子种子"的尺寸随金属浓度梯度增长，从305 kDa(无Cu²⁺)增至1129 kDa(3当量Cu²⁺)。离子淌度质谱更直接观测到[SUMO]₂Cu和[SUMO]₂Cu₂二聚体信号，证实金属桥联是簇化的驱动力。

分子机制的验证
通过构建His标签融合蛋白，研究团队放大了金属效应。等温滴定量热(ITC)显示His-SUMO的Cu²⁺结合常数(K_D1=2.5×10^-12 M)比野生型强7个数量级，相分离液滴数量相应增加3倍。细胞实验中，4 mM Cu²⁺处理使SUMO-GFP在HeLa细胞内形成明显凝聚斑，而对照组的荧光均匀分布。

这项研究建立了金属诱导相分离的"两步模型"：首先，表面弱结合位点通过金属桥联形成纳米簇；随后，静电相互作用促进簇体融合为宏观液滴。该机制在牛血清蛋白(BSA)和钙调蛋白(CaM)中得到验证，提示这可能是一类普遍存在的生物物理现象。

研究的意义不仅在于揭示了非金属蛋白相变的新机制，更提供了研究生物分子凝聚体的精密工具。通过金属配位这一可控变量，科学家得以"暂停"相变过程，观察起始阶段的分子事件。这对于理解神经退行性疾病中金属异常沉积与蛋白聚集的关系，以及设计基于相分离的生物材料都具有重要启示。正如研究者所言："金属离子就像分子世界的社交媒介，以弱相互作用编织起蛋白质相互作用的网络。"这一发现为探索生命体系的动态组装规律开辟了新视角。