专家点评PNAS | 许文青/李丹团队合作设计精准靶向渐冻人症TDP-43的全新抑制剂

点评丨 张明杰（中国科学院院士）、鲁伯埙（复旦大学生命科学学院教授）

神经退行性疾病的发生发展与蛋白质错误折叠及病理性聚集密切相关，其中 TDP-43 （ 43 kDa 反式激活反应 DNA 结合蛋白）的异常聚集是肌萎缩侧索硬化症（ ALS ）、额颞叶变性（ FTLD ）等疾病的核心病理特征 —— 约 97% 的 ALS 患者和 50% 的 FTLD 患者脑组织中可检测到 TDP-43 的核内耗竭及胞质纤维化聚集物，这些聚集物不仅破坏 RNA 代谢稳态，更直接介导神经元毒性与疾病进展。然而，由于 TDP-43 低复杂度结构域（ LCD ） 属于内在无序区域（ IDR ）构象可变性极强 ， 因此 其聚集核心区域的靶向干预长期面临技术瓶颈，目前尚无有效小分子或生物大分子疗法获批。

近日，来自中国上海科技大学生命科学与技术学院、上海交通大学 Bio-X 研究院、中国科学院上海有机化学研究所等机构的团队联合在 PNAS 发表题为

De novo design of protein binders to stabilize monomeric TDP-43 and inhibit its pathological aggregation

TDP-43 的生理功能依赖其结构化的 N 端结构域（ NTD ）和 RNA 识别基序（ RRM1/2 ），而 C 端 LCD 是病理性聚集的主要驱动因子。 LCD 中， 319-335 残基在生理状态下呈 α 螺旋构象，而疾病状态下会发生 “α 螺旋 →β 折叠 ” 的构象转变，进而组装成多形态纤维聚集体 。研究团队以 “ 稳定 TDP-43 CR 区域 α 螺旋构象 ” 为核心目标，搭建了从计算设计到功能验证的完整研究流程。首先在结合剂设计环节，借助扩散模型生成候选支架，经深度学习工具优化序列以增强与 CR 区域关键位点的相互作用，再通过能量筛选与结构预测，最终确定高 潜力结合剂候选（图一）。

图一 本文工作流程图

在 体外验证阶段， 研究团队 通过特异性检测 β 折叠聚集体的 Tht 实验与电镜观察，发现部分结合剂能有效抑制 TDP-43 聚集，且抑制效果与结合亲和力呈正相关（图二）。

图二 从头设计的结合蛋白对 TDP-43 纤维化聚集的抑制效果

为解析作用机制，研究通过结构预测发现该高效结合剂以特定结构与 TDP-43 CR 螺旋形成紧密疏水相互作用，后续核磁共振实验进一步证实其可特异性结合 CR 螺旋区域。

随后，研究人员通过 定点突变实验明确这种疏水相互作用是结合剂实现 “ 锁定 ”α 螺旋构象、阻断聚集的核心机制 ， 无论是突变 TDP-43 的 CR 区域关键残基，还是突变结合剂的界面残基，都会导致结合与抑制活性丧失。

最后 ， 在细胞层面 研究团队 通过两种经典细胞模型验证 了 该结合剂能显著降低核内与胞质中 TDP-43 的聚集比例，并减少疾病相关标志物的水平。

总之 ，该研究首次验证了通过稳定TDP-43内在无序区特定基序的α-螺旋构象来抑制其病理性聚集的可行性，为精准靶向神经退行性疾病的核心致病因子提供了新的思路。研究者指出，这一策略不仅适用于 TDP-43 ，还可能推广至其他神经退行性疾病中涉及淀粉样聚集的内在无序蛋白，例如阿尔茨海默病和帕金森病相关的致病蛋白。与此同时，团队也强调，小分子蛋白药物在临床应用上仍面临诸多挑战，包括血脑屏障穿透、体内稳定性以及免疫原性等问题，这些都需要在未来进一步解决。

该研究由上海科技大学生命科学与技术学院、上海交通大学 Bio-X 研究院、中国科学院上海有机化学研究所等合作完成。上海科技大学生命与技术学院的 许文青教授、 王之礩 副 研究员，上海交通大学 Bio-X 研究院的李丹教授， 中国科学院 上海有机化学研究所刘聪研究员为本文共同通讯作者。 上海科技大学生命与技术学院博士孙刚羽与上海交通大学博士生李想为本文共同第一作者。

专家点评

张明杰（南方科技大学生命科学学院院长，中国科学院院士）

TDP-43 是一种在神经退行性疾病研究中极具代表性的蛋白，其 C 末端低复杂结构域（ LCD ）富含内在无序区（ IDR ），能够驱动液 - 液相分离（ LLPS ）。在正常情况下，这一特性帮助 TDP-43 通过动态液滴的方式参与细胞应激反应，如在压力环境下形成的应激颗粒（ stress granule ），对细胞具有保护作用。然而，这一过程犹如一架微妙的 “ 天平 ” ，一旦失衡就会导致异常的聚集和不可逆的沉淀化，最终触发 ALS （肌萎缩侧索硬化症）、 FTLD （额颞叶痴呆）等严重疾病的病理过程。如何防止这一 “ 天平 ” 倾斜是学界长期关注的问题。 Sun ； Li 等人近期的工作利用蛋白质从头设计的策略，开发出一种靶向 TDP-43 LCD 的特异结合蛋白作为 TDP-43 不可逆沉淀的分子抑制剂。这种抑制剂能够有效阻止 TDP-43 的病理性 相分离与异常聚集，且不影响其介导正常 RNA 结合与剪切功能的 N 端结构域。换句话说，该分子在 “ 抑制有害 ” 与 “ 保留有益 ” 之间实现了难得的平衡。

由于很多神经退行性疾病都和蛋白质不可逆沉淀有关，所以这一成果不仅提供了研究 TDP-43 生理与病理机制的新工具，也为神经退行性疾病的干预开辟了一个全新的、普适性的路径。它展示了 AI 驱动蛋白设计在精准调控蛋白质相分离、延缓病理进程方面的巨大潜力，为未来开发更为安全、高效的治疗手段奠定了基础。

专家点评

鲁伯埙（复旦大学生命科学学院教授）

David Baker 等科学家发展的功能性蛋白质从头设计是合成生物学乃至生命科学的前沿领域，目前已有不少成功范例，为药物研发和生物学研究提供了很多想象空间。然而，从头设计特异性靶向干预神经退行性疾病的致病蛋白聚集体依然充满挑战。以 TDP-43 （ 43 kDa 反式激活反应 DNA 结合蛋白）为例，其异常聚集是肌萎缩侧索硬化症（ ALS ）、额颞叶变性（ FTLD ）等疾病的核心病理特征，但介导其异常聚集的低复杂度结构域（ LCD ）属于内在无序区域（ IDR ），构象可变性极强，因此其聚集核心区域的靶向干预长期面临技术瓶颈。

许文青教授、王之礩研究员，李丹教授和刘聪研究员的这项合作工作以极为巧妙的思路攻克了这一难题。研究团队利用 LCD 中 CR 区域在生理状态下呈 α 螺旋构象，而疾病状态下会发生 “α 螺旋 →β 折叠 ” 的构象转变这一特性，通过人工智能驱动的从头蛋白质设计技术发现了能结合并稳定 TDP-43 CR 区域 α 螺旋构象的结合蛋白，从而阻止其形成纤维聚集体。研究进一步证明了结合蛋白对 TDP-43 病理功能的干预作用。该发现不仅为 TDP-43 的病理功能研究提供了很有价值的工具，也为 TDP-43 的干预新策略提供了概念性验证。除了直接利用这些结合蛋白阻止 TDP-43 的病理聚集，也可以考虑将其接上核定位序列促进 TDP-43 的入核，帮助其恢复核内定位和生理功能。本文的技术和思路也可用于其他神经退行性疾病的错误折叠蛋白，为此类重大疾病的干预新策略开辟新舞台。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2505320122

制版人： 十一

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