综述：凝聚体在蛋白质错误折叠与聚集中的双重作用

《Current Opinion in Structural Biology》：Dual roles of condensates in protein misfolding and aggregation

　　

蛋白质聚集是多种神经退行性疾病的一个标志性特征，在该过程中，蛋白质组装成结构多样的错误折叠状态，从无定形聚集物到淀粉样纤维（amyloid fibrils）不等。多种易于聚集的蛋白质能够经历相分离（phase separation）形成生物分子凝聚体（biomolecular condensates），与周围稀相（dilute phase）相比，这些凝聚体营造出独特的化学环境。这些环境决定蛋白质构象、相互作用网络和自由能景观（free energy landscape），从而调节聚集途径。值得注意的是，凝聚体发挥双重且依赖于情境的作用：它们既可以通过稳定错误折叠中间体和促进组装来促进聚集，也可以通过缓冲相互作用和滞留蛋白质来抑制聚集。在此，研究人员总结了当前文献，将生物分子凝聚体描述为蛋白质错误折叠和聚集的关键调节因子，并强调局部微环境在决定聚集结果中的重要性。

引言

蛋白质聚集是蛋白质组装为不可逆、常去垢剂不溶结构的过程，包括无序无定形聚集体和由分子间β-折叠稳定的高度有序淀粉样纤维。该过程通常通过蛋白质错误折叠框架理解：可溶性蛋白质先形成错误折叠中间体，再自组装为高级结构。聚集也可被视为从可溶态到聚集态的相变，其中成核是限速步骤，需要克服能量障碍。动力学描述在聚集研究中占据核心地位，热力学方面则因复杂自由能景观和动力学陷阱而较难定义。过去十年，多种疾病相关RNA结合蛋白如TDP-43、hnRNPA1和FUS被证明可发生相分离并进入应激颗粒；相分离形成多种无膜细胞器，如核仁、PML小体、核散斑、应激颗粒、P小体和神经元运输颗粒。体外重构显示这些组装体最初呈液体液滴样，随后发生液-固相转变并伴随纤维形成。凝聚体可局部浓缩蛋白质至远高于周围环境的水平，因此被提议作为蛋白质聚集的“坩埚”。但近期研究也挑战该观点，提出凝聚体可能保护蛋白质免于聚集。本综述讨论凝聚体如何调节蛋白质聚集的热力学与动力学。

凝聚体调节蛋白质构象的自由能景观

生物分子凝聚体不仅调节局部蛋白质浓度，还能改变蛋白质构象景观。致密相中的化学环境与稀相显著不同，包括不同溶剂组成、大分子拥挤、离子组成和pH，并且凝聚体内存在多种多价相互作用，如静电、π–π、阳离子–π和疏水相互作用。凝聚体环境可稳定膨胀构象，或使 intrinsically disordered regions (IDRs) 的瞬时二级结构重组为更稳定的延伸相互作用基序。凝聚体通过调节熵力和焓力及折叠动力学，可超越蛋白质固有的折叠偏好，使折叠与相互作用网络紧密耦合，从而改变中间态群体和聚集倾向构象的可及性。需区分凝聚体内部与界面：内部为蛋白质富集、溶剂贫乏环境；界面为致密相与稀相之间的不对称化学环境，两侧蛋白质密度和溶剂暴露不同，可驱动不同构象重排和相互作用网络。

凝聚体在蛋白质聚集中的双重作用

a. 凝聚体可加速蛋白质聚集

聚集常与蛋白质形成凝聚体的能力密切相关。在同型系统中，TDP-43、FUS、hnRNPA1的相分离与聚集直接相关，但TDP-43也存在不依赖凝聚体的聚集途径。在异型环境中，异型相互作用可促进聚集，例如α-突触核蛋白在不同模型凝聚体存在下聚集动力学加速。机制上，第一，凝聚体界面可作为优先成核位点，界面处不对称的蛋白质-蛋白质和蛋白质-溶剂相互作用形成独特化学环境，降低纤维形成所需结构重排的能垒；表面活性剂包被界面可抑制聚集，支持界面化学与内部不同。第二，凝聚体可稳定寡聚物种作为临界核，例如α-突触核蛋白寡聚体在凝聚体内稳定并作为纤维形成核，单体Aβ加入α-突触核蛋白凝聚体可催化初级成核。第三，低黏弹性和高分子流动性的凝聚体不能有效滞留蛋白质，增加蛋白质外流，提高稀相有效浓度，促进纤维生长。细胞研究也支持凝聚体与病理性聚集偶联，如持续凝聚或应激颗粒招募可驱动TDP-43聚集，TDP-43磷酸化抑制凝聚和聚集。

b. 凝聚体可抑制蛋白质聚集

凝聚体也可抑制或延缓聚集。一种机制是异型相互作用与同型聚集倾向接触竞争，例如客户–支架相互作用缓冲聚集倾向区域、降低可参与有效成核的构象；RNA或其他RNA结合蛋白的相互作用可拮抗FUS在致密相中的聚集；小代谢物和盐也可改变化学环境，解偶联聚集与凝聚。第二种机制是凝聚体可与纤维的具有种子能力的表面相互作用，抑制聚集进一步进行；TDP-43与Tau在凝聚体中的相互作用可抑制Tau聚集和种子传播。第三种机制是凝聚体的亚稳态和黏弹性可将蛋白质动力学捕获在动态组装体中，限制蛋白质外流，从而抑制稀相或界面处的聚集。多组分合成应激颗粒模拟体的材料性质决定聚集结果：局部浓度升高可提高成核速率，但更高黏弹性可通过限制构象重排和外流抑制聚集。细胞和动物模型也显示TDP-43寡聚化可拮抗病理性聚集，α-突触核蛋白与β-突触核蛋白异型相互作用可降低聚集倾向、延缓纤维形成。

总结与展望

当前文献表明，生物分子凝聚体对聚集的影响取决于其组成、相互作用网络和材料性质，可促进或抑制成核与纤维生长。凝聚体不是被动中间体，而是主动重塑蛋白质构象和能量景观，以情境依赖方式改变聚集途径。关键未解问题包括：这些途径如何对应神经退行性疾病中病理聚集体的结构多样性；TDP-43在ALS/FTD中形成无定形和纤维状组装，决定不同结构终态的机制尚待阐明；TDP-43、TAF15和Tau的不同疾病表型与不同淀粉样纤维折叠相关，需要确定结构多态性如何产生以及凝聚体微环境是否促成不同结构终态。转化层面，靶向凝聚体形成或材料性质可能成为调节病理性聚集的治疗策略，如小分子米托蒽醌、硫辛酰胺可减少应激颗粒形成或阻止TDP-43招募，工程化RNA寡核苷酸可恢复生理性RNA–蛋白质相互作用。但由于凝聚体在促进和抑制聚集中的双重作用，治疗干预需要精确调控以避免影响蛋白质稳态。目前关于凝聚体与聚集体关系的定量数据和模型仍稀缺，关键挑战是建立将凝聚体组成和动态与特定聚集终点联系起来的预测原则；整合结构生物学、高分子物理学和热力学将有助于建立统一框架。