Matrin-3通过RNA结合和ALS/FTD相关突变调控的球形和蠕虫状组装体形成机制研究

本研究针对肌萎缩侧索硬化(ALS)和额颞叶痴呆(FTD)相关RNA结合蛋白Matrin-3(MATR3)的异常相变问题，通过实验与计算相结合的方法，发现MATR3在超低浓度下形成纳米级球形和蠕虫状组装体，并经历可逆的浓度依赖性形态转变。研究揭示MATR3具有独特的反向bolaamphiphile样结构域架构，RNA结合可缩短蠕虫状组装体长度，而ALS/FTD相关突变则削弱了RNA对组装的调控作用，为理解神经退行性疾病病理机制提供了新视角。

　　

在神经退行性疾病研究领域，肌萎缩侧索硬化(ALS)和额颞叶痴呆(FTD)作为相互关联的疾病谱系，一直困扰着科学家和临床医生。这些疾病的核心特征之一是RNA结合蛋白(RBP)在细胞中形成异常聚集，其中TDP-43和FUS等蛋白的研究较为深入，但另一个与ALS/FTD相关的关键蛋白Matrin-3(MATR3)的分子机制却鲜为人知。

MATR3是一种核基质蛋白，含有两个RNA识别模体(RRM)、两个锌指结构域(ZF)和四个内在无序区(IDR)，约70%的序列是无序的。虽然它在DNA损伤应答、转录调控和RNA代谢中发挥重要作用，但其异常聚集也在散发性ALS/FTD和远端肌病中被观察到。与含有朊病毒样低复杂结构域(PLCD)的TDP-43和FUS不同，MATR3并不含有典型的PLCD，这使得研究其组装机制变得更加有趣且具有挑战性。

此前研究发现，MATR3在酵母和哺乳动物细胞中能形成壳状微米级斑点和颗粒状核染色，但这些结构的形成机制和生理功能尚不明确。特别是RNA结合以及ALS/FTD相关突变如何影响MATR3的相行为，这些关键问题仍未得到解答。正是这些未知领域激发了华盛顿大学研究团队开展这项系统性研究。

研究人员通过巧妙的实验设计和多学科方法，揭示了MATR3前所未有的组装特性。他们发现，在超低浓度下(0.01-0.08μM)，MATR3能自发形成纳米级球形组装体(20-30纳米直径)，随着浓度增加，这些球形结构会转变为蠕虫状组装体(20-25纳米直径，100-400纳米长度)。这种浓度依赖的形态转变令人联想到两亲性分子的胶束化过程，提示MATR3可能具有类似反向bolaamphiphile的特性——一种两端疏水、中间亲水的特殊分子架构。

为了验证这一假设，团队结合全原子模拟和实验验证，发现MATR3的N端和C端结构域(IDR1和ZF2)介导强烈的吸引相互作用，而中间区域则表现出排斥作用，这种相互作用模式确实符合反向bolaamphiphile的特征。这种独特的分子架构解释了MATR3为什么能够形成尺寸有限的纳米组装体，而不是像许多其他RBP那样发生宏观相分离。

研究的关键突破之一在于揭示了RNA结合对MATR3组装的高度调控作用。研究人员发现，不同的RNA序列对MATR3组装产生特异性影响：GU富集序列A(GU)₆AA能同时结合TDP-43和MATR3，而(UCUUUC)₂AA序列则对MATR3具有高度特异性结合能力(K_d^app = 26±4 nM)。更重要的是，RNA结合能显著缩短蠕虫状组装体的长度，且这种调控作用依赖于RNA序列的长度和组成。

尤为值得注意的是，与ALS/FTD相关的突变体(P154S、F115C、T622A)虽然不影响RNA结合亲和力，但却削弱了MATR3组装体对RNA调控的响应能力。这些突变体在形成蠕虫状组装体方面存在缺陷，且RNA无法有效调节其组装长度，这可能是其致病机制的重要环节。

研究人员还通过超级分辨率STED显微镜在HEK293T细胞中证实，内源性MATR3确实形成纳米级细长颗粒(约50纳米短直径)，这些结构在浓度梯度变化下保持稳定的尺寸和形状，与体外观察到的组装特征高度一致。当转染(UCUUUC)₆AA RNA时，MATR3会形成直径超过500纳米的壳状核焦点，这与在酵母模型中观察到的壳状结构相似。

技术方法上，本研究主要运用了分子克隆和蛋白质纯化技术获得重组MATR3蛋白；通过浊度测定和沉降分析评估蛋白质聚集；利用透射电子显微镜(TEM)表征组装体形态；采用微流控电阻脉冲传感(MRPS)量化组装体尺寸分布；借助右角光散射(RALS)测定相变阈值浓度；使用荧光偏振分析RNA结合亲和力；应用STED超分辨率显微镜观察细胞内组装；并通过全原子蒙特卡洛模拟揭示分子间相互作用机制。

研究结果部分显示，MATR3形成高阶组装体：通过MBP融合策略，研究人员发现TEV蛋白酶切除MBP标签后，MATR3迅速形成蠕虫状组装体，沉降分析显示蛋白在30分钟内即积累在不溶 fraction中。

在大分子拥挤剂存在下形成微米级组装体：添加右旋糖酐等拥挤剂后，MATR3形成1.0-1.5微米的组装体，但这些实际上是由纳米级蠕虫状组装体通过耗尽介导的吸引力聚集而成的簇状结构，而非真正的宏观相分离。

尺寸有限的球形组装体向蠕虫状微相转变：MRPS测量显示组装体尺寸限制在295-335纳米范围内，不随浓度增加而增大。TEM显示在低浓度下主要存在球形组装体，在0.20μM浓度时发生向蠕虫状组装的转变，称为球-蠕虫转变浓度(c_sw)。

生理条件下的细长纳米组装体：STED显微镜显示细胞内MATR3形成相互连接的网状结构，短直径约50纳米，且在浓度梯度(siRNA敲低和质粒过表达)下保持稳定的尺寸和形状。

计算模拟提示MATR3是柔性反向bolaamphiphile：NARDINI+算法分析显示各IDR区具有不同的氨基酸组成偏好和序列模式。原子模拟发现MATR3具有反向bolaamphiphile样架构，终端域介导吸引作用，中间域介导排斥作用。

C端截短破坏反向bolaamphiphile特性：截短突变体MATR3(1-575)表现出更类似经典两亲分子的行为，形成花状组装体(六个柱状胶束组成的花形结构)。

MATR3展示不同于TDP-43的RNA结合偏好：表面静电势分析显示MATR3的RRM具有两性和两亲性特征，与TDP-43不同。荧光偏振显示MATR3对(UCUUUC)₂AA有高亲和力，而TDP-43对A(GU)₆AA有更高亲和力。

RNA寡核苷酸以序列特异性方式调控MATR3相行为：RNA添加增加浊度，降低组装体尺寸和丰度，缩短蠕虫状组装体长度。在细胞中，(UCUUUC)₆AA RNA诱导MATR3形成>500纳米的壳状核焦点。

MATR3 RRM2利用非经典残基介导RNA结合：通过酵母模型筛选出RNA结合缺陷突变体MATR3:mRRM(H401L-F438L-Y526L-Q534L)，显示结合亲和力降低2.3-5倍。

损伤RNA结合的MATR3突变破坏蠕虫状组装体形成：RNA结合缺陷突变体形成较短的蠕虫状结构和不规则组装体，丰度降低，球形组装体稳定性增强。

疾病相关突变调控MATR3相行为：ALS/FTD相关突变体(P154S、F115C、T622A)改变c_sw和表观第二维里系数(A₂)，削弱对RNA调控的响应，但不影响RNA结合亲和力。

研究结论和讨论部分强调，这项工作首次揭示了MATR3能够形成纳米级球形和蠕虫状组装体，并经历浓度依赖性的形态转变。这些组装体不同于传统的宏观相分离凝聚体，而是更类似于两亲性分子的胶束化过程，属于微相分离的范畴。MATR3独特的反向bolaamphiphile样分子架构为其组装行为提供了结构基础——N端和C端结构域介导的吸引作用与中间区域介导的排斥作用共同决定了其组装特性。

RNA结合在调控MATR3组装中扮演关键角色：不同序列的RNA以特异性方式影响组装体形态，高亲和力RNA结合能缩短蠕虫状组装体长度。然而，ALS/FTD相关突变虽然不影响RNA结合亲和力，却显著削弱了MATR3组装对RNA调控的响应能力，这可能是其致病机制的重要环节。

从更广泛的生物学意义来看，MATR3的这种微相分离行为可能代表了一种新型的细胞内组装机制。研究发现细胞内核基质中存在的纳米级细长结构很可能就是由MATR3组装体构成，这些结构在染色质组织和核架构中可能发挥重要作用。与传统的液-液相分离不同，这种微相分离产生的尺寸有限组装体可能更适合于需要精确空间组织的核过程。

该研究不仅为理解MATR3在生理和病理条件下的功能提供了新视角，也为开发针对ALS/FTD的治疗策略提供了新思路。例如，基于特定RNA序列的调控策略可能有助于纠正突变MATR3的异常组装行为。更重要的是，这种微相分离机制可能普遍存在于其他核蛋白中，开辟了生物分子凝聚体研究的新方向。

研究的局限性主要在于尚未直接在细胞中证实纳米组装体的存在，但这主要是由于当前显微镜分辨率的限制。随着超分辨率成像技术的不断发展，未来研究有望在细胞内直接观测这些纳米组装体的形成和功能。

总之，这项研究突破了传统相分离研究的范式，揭示了MATR3通过微相分离形成纳米级组装体的新颖机制，建立了RNA结合和疾病突变与组装调控之间的直接联系，为理解神经退行性疾病的分子机制提供了重要突破。