金属离子对淀粉样蛋白液-液相分离和液-固相变的影响

《Current Opinion in Chemical Biology》：Effects of metal ions on amyloid liquid–liquid phase separation and liquid-to-solid phase transition

　　

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  金属离子会改变淀粉样蛋白的相行为。
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  金属离子可以促进、抑制或对凝聚体形成影响甚微。
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  异常的金属介导相转变可能加剧淀粉样病变。

引言

液-液相分离是生物大分子在细胞内实现空间和时间组织的基本物理化学现象，也被认为是生物分子凝聚体形成的机制之一。这些凝聚体可以表现出不同的物质状态，从通过液-液相分离形成的动态类液组装体，到通过液-固相转变等过程形成的更具黏弹性的类固态结构。在神经退行性疾病的背景下，失调的相行为越来越被认为与病理性的淀粉样生成有关（图1a）[1??、2?、3]。这一现象尤其与常见的神经退行性疾病相关，如帕金森病、阿尔茨海默病和克雅氏病，其中α-突触核蛋白、tau蛋白和朊病毒蛋白等淀粉样蛋白分别发生相转变（图1b）[2?、4、5、6]。

当前生物物理模型提出了一种途径，即最初分散在均匀溶液中的蛋白质可以通过液-液相分离凝聚为动态的、富含蛋白质的液滴。在某些条件下，这些凝聚体可能随后发生物质性质的变化，逐渐演变为更具黏弹性的凝胶状组装体，在某些体系中甚至形成与淀粉样生成相关的类固态结构[1??、2?、7]。此类凝聚体成熟过程可能涉及液-固相转变以及高度有序的富含β-折叠的淀粉样纤维的出现。然而，液-液相分离并不必然导致淀粉样纤维的形成，凝聚体形成、成熟与纤维化之间的关系取决于特定的蛋白质体系和物理化学环境。因此，从分散的蛋白质、类液凝聚体、更刚性的组装体到不溶性淀粉样纤维的状态谱系，为研究生物大分子相行为的改变如何加剧与淀粉样相关的神经退行性疾病提供了有用的框架。

脑内金属离子失调是神经退行性疾病发病机制的关键因素之一，因为金属离子与淀粉样蛋白的配位可以改变其结构和构象景观[8??]。符合硬软酸碱原理，α-突触核蛋白、tau蛋白和朊病毒蛋白的特定氨基酸残基分别以金属依赖的方式结合钙离子、铜离子和锌离子（图1b）[9、8??、10、8??]。这些相互作用影响蛋白质构象、分子间相互作用和聚集行为。虽然早期研究主要关注金属-蛋白质相互作用对淀粉样纤维化的影响，但越来越多的证据表明，金属诱导的液-液相分离可能是一个上游事件，决定了后续的聚集途径并塑造了最终的金属相关组装体结构特征。

在分子水平上，金属离子主要通过两种物理化学机制影响相行为：静电屏蔽和多元配位。生理浓度较高的硬酸（如钙离子和镁离子）与硬碱羧酸侧链短暂相互作用[15、16]。这些相互作用部分中和了长程静电排斥，促进了分子间缔合，从而改变了相分离。相反，过渡金属或后过渡金属离子（包括铁、钴、镍、铜和锌）与半胱氨酸、组氨酸、谷氨酸和天冬氨酸等氨基酸残基形成更为特异性的配位复合物[17、18]。通过这种配位和静电作用的调控，金属离子可以促进多个蛋白质分子之间的缔合，从而增加体系的有效价态——即可用于多元分子间缔合的相互作用位点或机会数量。在此背景下，金属离子可充当分子间交联剂或"粘附点"，从而降低凝聚体形成所需的饱和浓度，促进相分离。

同样，金属离子通过不同的配位机制改变生物大分子的相分离，其影响远超凝聚体形成本身。金属介导的相行为变化可以影响凝聚体的稳定性、物质性质（如扩散、粘度和黏弹性）以及凝聚体发生病理性成熟和聚集的倾向性[19、20]。因此，阐明金属离子在与淀粉样相关的液-液相分离中的作用，可能为理解金属离子失调、凝聚体动力学和病理性蛋白质聚集之间的相互关系提供重要见解。

在本综述中，我们总结了近年来对金属离子如何影响α-突触核蛋白、tau蛋白以及其他淀粉样蛋白（包括朊病毒蛋白、融合蛋白和超氧化物歧化酶1）相行为的理解进展[21、22、23、24、25、26、27、28、29?、30??、31、32、33]。如图2所示，这些效应大致分为三类：促进、抑制以及对液-液相分离的微小或依赖于背景条件的调控。通过探讨配位化学如何决定从液滴到淀粉样纤维的轨迹并阐明其潜在的分子机制，本综述全面概述了与神经退行性蛋白病相关的淀粉样蛋白中金属依赖的液-液相分离现象。

章节摘要

促进液-液相分离或液-固相转变

迄今为止，已报道的淀粉样蛋白中金属依赖性效应主要涉及促进液-液相分离和/或加速凝聚体向液-固相转变的成熟过程。金属离子并非通过单一机制发挥作用，而是可以通过多种物理化学途径调控相行为，包括静电屏蔽、分子间桥接、金属诱导的构象变化以及局部溶剂环境的改变。具体取决于金属-蛋白质

抑制液-液相分离

越来越多的证据表明，金属离子也可以作为液-液相分离的调节因子，通过稳定特定的构象状态或破坏凝聚体形成所需的分子间相互作用来发挥作用。尽管抑制性实例比金属离子促进液-液相分离的体系更为少见，但它们为理解金属离子影响淀粉样相行为的多样化机制提供了重要见解。这些金属离子并非促进分子聚集和致密相组装，而是

微小或依赖于背景条件的效应

金属-蛋白质相互作用并不总是改变凝聚体行为，一些金属离子表现出微弱、可忽略或条件依赖性的效应，这表明仅金属结合本身可能不足以诱导液-液相分离或改变凝聚体性质。多个淀粉样蛋白中已报道了这种选择性响应的证据。例如，尽管tau蛋白的相行为受到锌离子的强烈影响，但其他金属离子，如铬、镧、钒、锰等

结论与展望

越来越多的证据表明，金属离子可以改变淀粉样蛋白的相行为，通过静电屏蔽、分子间桥接、直接配位、构象重塑和溶剂介导的效应等多种机制，影响液-液相分离及随后的液-固相转变。如本综述所述，金属离子可以促进或抑制凝聚体的形成，具体取决于所涉及的蛋白质和金属离子类型，展现了这种

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的利益冲突或个人关系，这些因素可能对本研究的工作产生影响。

致谢

本研究得到了韩国政府资助的韩国国家研究基金会（NRF）拨款支持{创意研究计划[RS-2022-NR070709（M.H.L.）]；全球科学研究中心计划[RS-2024-00411134（M.H.L.）]}。本研究还得到了教育部通过NRF资助的基础科学研究计划[RS-2024-00407337（J.K.）]的支持。

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