Trends Biochem Sci：神经退行性疾病研究热点——FUS和TDP-43

导读

细胞被许多膜封闭的细胞器和无膜隔室分隔，以确保以时空受控的方式发生各种各样的细胞活动。膜结合的细胞器动力学的分子机制，如它们的融合和裂变，囊泡介导的运输和膜接触介导的细胞间相互作用已被广泛表征。然而，无膜隔室的组装和功能的分子细节仍然难以捉摸。

最近有越来越多的证据表明，大量的无膜隔室（统称为生物大分子冷凝物）是通过液-液相分离（LLPS）组装而成的。相分离的冷凝物参与各种生物学活动，包括高级染色质组织，基因表达，错误折叠或不需要的蛋白质的分类以进行自噬降解，信号簇的组装以及基于肌动蛋白和微管的细胞骨架网络的组装，细胞命运决定簇的不对称分离以及突触前和突触后密度信号传导组件的形成。

2021年1月11日，宾夕法尼亚大学医学院的团队在Trends Biochem Sci上发表了标题为：“FUS and TDP-43 Phases in Health and Disease”的综述文章。该综述通过阐述TDP-43和FUS蛋白的序列，结构，翻译后修饰和RNA如何影响RNA结合蛋白（RBP）的自组装，讨论了如何利用对FUS和TDP-43液-液分离（LLPS）和聚集的新认识来设计用于神经退行性疾病的新疗法，例如肌萎缩性侧索硬化症（ALS），额颞痴呆（FTD）和边缘性年龄相关的TDP-43脑病（晚期）。

1. 功能相分离是中尺度的生物学现象

人们认为许多冷凝物是通过液相-液相分离（LLPS）或液相-凝胶相变过程而产生的，可以用相图（图1A）进行描述。LLPS的基本原理是多价，即一种生物分子同时与自身的多个其他拷贝（同型相分离）或与多种其他生物分子（异型相分离）相互作用的能力。就蛋白质而言，内在无序区域（IDR）经常但并非唯一地促进了多价，该区域缺乏稳定的3D结构，其结构异质性使得相互作用的基序可以多种方向展示。

LLPS能够使生物分子进行类似开关的缩合，从而导致稀释（轻）相和浓缩（致密）相的浓度相差> 50倍（图1A）。可以通过改变分子之间的相互作用强度（例如，通过翻译后修饰）或通过成核高的局部浓度（例如，通过将多个分子停靠在支架上，如图1B所示，RNA或poly (ADP-ribose) (PAR)，来调整LLPS -核糖））。

这样，细胞可以快速改变有效蛋白质浓度，而无需蛋白质合成或降解所固有的时间和能量消耗。对于FUS和TDP-43等调节蛋白，这种相分离可以促进刺激响应性基因表达程序。相反，异常的相分离可能是由致密相的敏感性，持续时间，可逆性，局部化或组成的改变引起的。

图1.模型相变

（A）描述同型相分离的相图。越过相界会导致混合均匀的溶液（位置1）过渡到到具有轻相和致密相（位置2）两相溶液。进一步增加浓度（位置3）会增加致密相的体积分数，而不会改变轻质或致密相的浓度。

（B）高比例的RNA：RNA结合蛋白（RBP），包括FUS和TDP-43，可以防止相分离和聚集。相反，较低的RNA与RBP比率可导致与单个RNA结合的蛋白质的多个拷贝，从而产生较高的局部蛋白质浓度，并促进RBP之间的分子间相互作用，从而使相变成核。

2.FUS和TDP-43调节液相-液相分离（LLPS）

FUS的1-239残基带有阮毒样结构域（PrLD），其后是延伸至残基267的富含甘氨酸的区域，RNA识别基序（RRM），两个富含精氨酸-甘氨酸的区域（RGG），锌指（ZnF）域和PY核定位信号（PY-NLS）。PrLD中低复杂度的富含芳族的纽结段（LARKS）能够形成同型交叉β相互作用。RGG结构域中的精氨酸残基和PrLD中的酪氨酸残基可形成分子内（橙色箭头）和分子间相互作用。

RRM，RGG和ZnF结构域进一步介导FUS和RNA分子之间的相互作用（黑色箭头）。RGG结构域还与聚（ADP核糖）（PAR）（红色箭头）相互作用。PY-NLS与调节FUS缩合的importins相互作用（紫色箭头）。总而言之，这些相互作用通过翻译后修饰和诸如RNA和PAR等支架调节的分子间和分子间相互作用来控制FUS装配。

图2.调节FUS LLPS的交互接口

TDP-43由一个N末端域（NTD）组成，可形成同型相互作用（橙色箭头），并包含一个带有两个聚（ADP核糖）（PAR）结合的核定位信号（NLS）（红色箭头）。NLS也与importins结合，可以调节TDP-43的缩合（紫色箭头）。NTD之后是两个RNA识别基序（RRM）域和阮病毒样结构域（PrLD）。

两个RRM结构域促进TDP-43与RNA分子之间的相互作用（黑色箭头），这对于调节TDP-43 LLPS非常重要。PrLD本身包含各种能够与TDP-43其他副本形成分子间相互作用的子域（上）。

这些子域包括一个具有α螺旋倾向的区域，一个富含Q / N的区域，多个拉链以及LARKS。

图3.调节TDP-43 LLPS的相互作用接口

结语

FUS和TDP-43是PrLD介导的自组装成具有一系列材料特性的冷凝液的原型。对这些蛋白质的进一步研究可能会进一步揭示新的生物学机制，并扩展到其他的PrLD RBPs。尽管它们有相似之处，但它们遵循不同的分子语法，受到不同的调节模式，并以不同的疾病形式聚集。因此，他们暗示了人类蛋白质组中含PrLD的蛋白质的多样化集合可能会形成细胞冷凝物的复杂性。

他们共同指出，探索改变的RNP颗粒动力学是探索致命性神经退行性疾病的新治疗方法的生物学框架。需要蛋白质组学，转录组学，影像学，遗传学和流行病学数据进行系统规模的整合，提供假设并指导药物筛选策略以对抗这些疾病。

参考文献：

Portz B, Lee BL, Shorter J. FUS and TDP-43 Phases in Health and Disease. Trends in biochemical sciences. 2021.

编译作者：随艺 (Brainnews创作团队)

校审： 胖兔子可可 (Brainnews编辑部)