Nat?Nanotechnol |?高國銘等利用單分子示蹤揭示FUS凝聚體內(nèi)部納米微區(qū)結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動的凝聚體纖維化機制

生物分子凝聚體（Biomolecular condensates）作為細胞內(nèi)廣泛存在的無膜細胞器，通過液-液相分離（LLPS）富集蛋白質(zhì)和RNA。 其 獨特的物理化學(xué)微環(huán)境使得凝聚體能夠高效地組織和調(diào)控細胞內(nèi)的生化反應(yīng)，如基因轉(zhuǎn)錄、RNA代謝及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等。

過去，單相 凝聚體內(nèi)部被視為一個均一的、高連通性的液態(tài)環(huán)境，分子在其中進行均一的自由布朗運動。然而，這一均一性的物理模型在面對病理學(xué)現(xiàn)實時顯得捉襟見肘。許多神經(jīng)退行性疾病，如肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）和額顳葉癡呆（FTD），其發(fā)病機制與特定RNA結(jié)合蛋白（如FUS、TDP-43）凝聚體的異常相變密切相關(guān)。這些病理相關(guān)的凝聚體并非靜態(tài)的液滴，而是會隨著時間推移經(jīng)歷一個被稱為“陳化”（ageing）的過程，逐漸從生理性的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴±硇缘墓虘B(tài)（ 纖維化 ）。如果凝聚體內(nèi)部完全均一，那么這種長時程、漸進式的液-固轉(zhuǎn)變就缺乏微觀尺度上的物理基礎(chǔ)。這 提出了一個 科學(xué)問題：凝聚體內(nèi)部是否存在某種尚未被發(fā)現(xiàn)的精細物理結(jié)構(gòu)，它們既打破了內(nèi)部的均一性，又充當了病理轉(zhuǎn)變的早期驅(qū)動因素？

為了解答這一問題，研究人員推測凝聚體內(nèi)部可能存在局部連通性轉(zhuǎn)變（local percolation），即形成某種微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致分子擴散受限。然而，驗證這一假設(shè)面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)。雖然單分子示蹤（ single -molecule tracking, SMT）技術(shù)有潛力揭示微觀擴散行為，但傳統(tǒng)SMT在觀測懸浮液滴時，無法區(qū)分分子自身的受限運動與凝聚體整體的布朗運動（平移和旋轉(zhuǎn)）。這種整體運動產(chǎn)生的背景噪聲往往掩蓋了真實的微觀動力學(xué)信息，使得 傳統(tǒng)SMT無法精確測量凝聚體內(nèi)的 慢速或受限分子。

近 日 ，密歇根大學(xué)Nils G. Walter團隊在Nature Nanotechnology雜志上在線發(fā)表了題為 Nanoscale domains govern local diffusion and ageing within fused-in-sarcoma condensates 的研究論文。在該項研究中，研究團隊開發(fā)了一種在玻片表面對凝聚體進行適當且微量的多位點錨定技術(shù)，在不影響凝聚體形態(tài)、不導(dǎo)致凝聚體浸潤玻片的前提下消除了單個凝聚體自身的布朗運動，從而實現(xiàn)了對凝聚體內(nèi)部微觀動力學(xué)的精準單分子示蹤。通過該技術(shù)，研究者首次在液態(tài)FUS凝聚體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了尺度在100至200納米之間的納米微區(qū)（Nanodomains），證實了單相凝聚體在微觀尺度上 可以 具有非均一的組織結(jié)構(gòu) 、 揭示了局部連通性轉(zhuǎn)變?nèi)绾瓮ㄟ^調(diào)控分子駐留時間來影響生化反應(yīng)結(jié)果，并提出了由納米微區(qū)空間重排驅(qū)動的病理性纖維化新機制。

凝聚體內(nèi) 單分子軌跡分析顯示，F(xiàn)US蛋白和RNA分子并非在進行全局自由擴散，而是被動態(tài)地局限（ d ynamically confined ） 在上述納米微區(qū)內(nèi)。這一微觀現(xiàn)象證實了局部連通性轉(zhuǎn)變的存在，表明即便在宏觀上看似均一的凝聚體內(nèi)部，微觀上實際上是由連通性各異的異質(zhì)性滲流網(wǎng)絡(luò)交織而成。這一發(fā)現(xiàn)確立了凝聚體內(nèi)部的非均一性物理圖景。

圖1:凝聚體內(nèi)單分子示蹤重構(gòu)圖像顯示均一的單相凝聚體內(nèi)的RNA和蛋白擴散被受限于納米微區(qū)內(nèi)

進一步的研究揭示，這些納米微區(qū)不僅僅是物理結(jié)構(gòu)，更是凝聚體行使生物學(xué)功能的關(guān)鍵“調(diào)節(jié)器”。凝聚體的一個核心功能是調(diào)控各類生化反應(yīng)，如RNA的轉(zhuǎn)錄后修飾或蛋白的翻譯后修飾。這些反應(yīng)的效率在很大程度上取決于底物分子在凝聚體內(nèi)的 駐留時間 ——分子停留得越久，被酶修飾或處理的概率就越高。在凝聚體生物學(xué)中，通常將組分分為驅(qū)動相變的支架分子（scaffolds）和被招募進入的客體分子（guests）。研究發(fā)現(xiàn)，納米微區(qū)通過改變局部的擴散性質(zhì)（例如使分子從自由擴散轉(zhuǎn)變?yōu)槭芟迶U散），顯著延長了客體分子的駐留時間。 同時，客體分子的存在及屬性（例如RNA的長度、結(jié)構(gòu)等）也能反向調(diào)控納米微區(qū)的物理屬性，如納米微區(qū)的大小及其對擴散的限制能力。 這意味著，納米微區(qū)為凝聚體如何精確調(diào)控客體分子的命運提供了具體的物理機制，使得凝聚體能夠根據(jù)需要“捕獲”或“釋放”特定的生化反應(yīng)底物。

此外 ，該研究建立了微觀物理結(jié)構(gòu)與宏觀病理現(xiàn)象之間的直接聯(lián)系，提出了由納米微區(qū)驅(qū)動的纖維化新模型。在探究凝聚體的陳化機制時，研究人員發(fā)現(xiàn)納米微區(qū)并非靜止不變，而是會隨著時間推移發(fā)生空間重排，呈現(xiàn)出向凝聚體邊緣（periphery）遷移的趨勢。這些遷移至邊緣的納米微區(qū)攜帶了其特有的高連通性和局部化學(xué)環(huán)境，正是這種特殊的微觀環(huán)境為病理性纖維化提供了成核的溫床。這解釋了為何在ALS等疾病 相關(guān)的凝聚體 中，蛋白聚集往往首先出現(xiàn)在凝聚體的表面。此外，通過測試依達拉奉（Edaravone）和利魯唑（Riluzole）等抗ALS藥物，研究發(fā)現(xiàn)這些藥物能夠改變納米微區(qū)的 物理屬性 ，進而 影響 纖維化的動力學(xué)過程，這驗證了靶向微觀物理結(jié)構(gòu)進行疾病干預(yù)的可行性。

綜上所述，該研究通過技術(shù)創(chuàng)新打破了長久以來關(guān)于凝聚體內(nèi)部均一性的傳統(tǒng)認知，確立了納米微區(qū)作為其核心結(jié)構(gòu)單元的物理模型。這一工作不僅在揭示了凝聚體內(nèi)納米微區(qū)的形成、如何調(diào)控分子功能，更在病理層面揭示了神經(jīng)退行性疾病中異常相變的微觀起源，為理解細胞內(nèi)無膜細胞器的復(fù)雜行為及相關(guān)疾病的治療提供了全新的視角。

密歇根大學(xué)生物物理學(xué)博士 高國銘 （已畢業(yè)，現(xiàn)為美國加州理工學(xué)院博士后）與 Emily R. Sumrall 博士為該論文的共同第一作者，密歇根大學(xué) Nils G. Walter 教授為該論文的通訊作者。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41565-025-02077-x

制版人： 十一

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