芳香族残基富集的带电肽通过抑制交叉β片层形成延缓生物分子凝聚体老化

本研究针对神经退行性疾病中生物分子凝聚体（biomolecular condensates）从液态向固态转变（老化）的关键病理过程，创新性地设计了一套计算筛选体系。研究人员通过分子动力学模拟发现，富含芳香族残基和带电残基的小肽能通过静电自排斥作用降低凝聚体密度，特异性靶向易形成交叉β片层（cross-β-sheet）的蛋白区域，使TDP-43和FUS蛋白凝聚体的老化速率降低一个数量级。该成果为调控相变相关疾病提供了全新干预策略，发表于《Nature Communications》。

　　

在细胞这个精密的微观世界里，生物分子凝聚体（biomolecular condensates）如同动态的隔间，通过液液相分离（LLPS）机制实现无膜细胞器的功能。这些由蛋白质和核酸等大分子组成的液态微区，在基因表达调控和应激响应等关键生命活动中扮演着重要角色。然而当这些液态"隔间"逐渐固化成"玻璃态"时，就会引发灾难性后果——神经退行性疾病中常见的TDP-43和FUS等蛋白形成的病理性聚集体，正是这种液固相变的结果。更棘手的是，这种相变往往由蛋白质低复杂度结构域（LCD）中特定片段形成的交叉β片层（cross-β-sheet）网络驱动，但目前缺乏有效干预手段。

为破解这一难题，Ignacio Sanchez-Burgos等研究者将计算生物学与生物物理学方法相结合，在《Nature Communications》发表了突破性成果。研究团队开发了创新的计算筛选流程，通过多尺度模拟揭示了小分子肽调控凝聚体老化的分子机制。

研究采用的关键技术包括：1）基于CALVADOS2粗粒化力场的平衡态分子动力学模拟，预测肽段插入对相图的影响；2）非平衡态老化动力学算法，模拟交叉β片层形成的动态过程；3）接触频率图谱分析揭示肽-蛋白相互作用网络；4）流变学参数（G'和G"）计算量化材料性质转变。所有模拟均在生理盐浓度（150 mM NaCl）条件下进行，使用TDP-43 LCD（低复杂度结构域）和FUS LCD作为模型系统。

相图分析揭示肽段设计原则

通过系统改变肽段的组成、排列和净电荷，研究人员首先建立了"序列-相行为"的定量关系。如图2所示，含10-15%带电残基（如E/K）的芳香族富集肽能适度降低临界相分离温度（T_c）5-10K，同时将凝聚体蛋白密度降低5%。特别值得注意的是，精氨酸（R）虽带正电，却通过阳离子-π相互作用增强相分离，而谷氨酸（E）和赖氨酸（K）则通过静电排斥实现密度调控。这种微妙的平衡关系为后续老化抑制剂的理性设计提供了理论基础。

老化动力学突破性发现

非平衡模拟获得了令人振奋的结果（图3）。当添加(SYGSYEGS)₃等优化肽段后，交叉β片层形成的半衰期（t_1/2）延长了近百倍。这种惊人的抑制效果源于肽段双重作用机制：一方面通过静电排斥降低局部蛋白浓度，减少LARKS（低复杂度芳香族扭结片段）的高密度波动；另一方面通过π-π相互作用"占据"易形成β片层的蛋白区域。值得注意的是，这种保护作用不改变蛋白的本征构象（通过回转半径R_g验证）和扩散系数，说明其特异性调控相变而非蛋白固有性质。

分子互作机制解析

接触频率图谱（图4）揭示了更精细的调控机制。在FUS LCD系统中，带负电肽段均匀分布于整个蛋白序列，而带正电肽段则特异性结合N端结构域。对于TDP-43 LCD，优化肽段能广泛覆盖61-65位关键LARKS区域，使其接触频率降低40%。这种差异化的结合模式解释了为何TDP-43系统的老化抑制效果更为显著——肽段更精准地"屏蔽"了易聚集区域。

这项研究建立了从序列设计到功能预测的完整框架，证明通过合理设计的小肽（24个氨基酸）可精确调控生物分子凝聚体的物理状态。其科学价值体现在三方面：首先，揭示了静电排斥与π-π相互作用的协同调控机制；其次，开发了高效筛选老化抑制剂的计算流程；最重要的是，为阿尔茨海默症、肌萎缩侧索硬化症等相变相关疾病提供了全新干预策略。未来通过机器学习优化肽段序列，或可实现完全抑制病理性相变的目标，为神经退行性疾病的治疗开辟新途径。