PNAS | 吝易等通过TDP43低复杂度结构域氧化还原反应探究相分离分子机制

责编 | 酶美

相分离在细胞生物学和神经退行性疾病中具有诸多重要作用，该领域近年来受到了广泛关注。细胞内生物大分子的相分离作用是细胞内无膜细胞器形成的基础，他们既可以通过液液相分离形成液滴，也通过液固相分离形成淀粉样纤维。然而生物大分子相分离发生的分子机制仍亟待突破。

美国德克萨斯大学西南医学中心的Steven L. McKnight课题组长期致力于解决相分离分子机制的问题。为了回答上述问题，研究人员使用了TDP43作为模式蛋白。TDP43在神经退行性疾病患者脑部神经元的胞浆或轴浆中广泛性聚集[1]。对肌萎缩侧索硬化症(ALS)、额颞叶痴呆(FTD)等神经退行性疾病患者的遗传学研究发现，疾病相关的TDP43错义突变主要分布在其羧基端的低复杂度结构域（LCD）内[2]。LCD驱动了TDP43蛋白的相分离发生，在体外实验中，LCD既可以通过液液相分离形成液滴，也可以通过液固相分离形成淀粉样纤维以及水凝胶，然而在细胞中TDP43的存在形式尚不清楚。

TDP43的结构域示意图[3]

基于这些信息，研究人员进一步探索了TDP43 LCD是否能通过某种特定的分子机制发生相分离。从氧化还原过程中TDP43自组装过程的变化出发，于近日在PNAS杂志上发表了题为“Redox-mediated regulation of an evolutionarily conserved cross-β structure formed by the TDP43 low complexity domain”的研究论文，阐述了TDP43的LCD在发生液液相分离，液固相分离，以及在细胞内均能够自组装且形成具有cross-β结构特征的大分子复合物的分子机理。

首先，研究人员在体外纯化出了TDP43蛋白的LCD，通过显微镜观察到其液液相分离状态，形成了直径为2–10 µm的均匀液滴。由于TDP43 LCD含有10个甲硫氨酸，对氧化还原反应敏感，所以当TDP43 LCD暴露于不同浓度的过氧化氢时，氧化作用使得TDP43 LCD液滴消融以及在SDS-PAGE中迁移率降低（图1 B）。

基于TDP43 LCD形成的液滴是由于甲硫氨酸的氧化而消融的假设，研究人员在不同氧化状态的体系中加入MsrA和MsrB两种甲硫氨酸亚砜还原酶，发现液滴确实发生了重塑(图2A)，同时TDP43蛋白在SDS-PAGE中的迁移模式恢复到起始状态(图2B)。

接下来，研究人员用过氧化氢介导的蛋白足迹法表征在水凝胶、液滴以及胞内状态下，TDP43 LCD具有相似的结构特征，因为不同位点的甲硫氨酸残基均具有类似的足迹分布。其中M322、M323受保护程度最高，能够抵抗过氧化氢的氧化作用。

图3. 过氧化氢介导的TDP43蛋白足迹在水凝胶、液滴和HEK293细胞中分布相似。

结构信息提示我们，TDP43 LCD形成的cross-β结构中两个受到保护的甲硫氨酸残基M322和M323完全分布在cross-β结构中。而M307、M311、M359、M405和M414这5个氧化残基都位于cross-β结构之外。这个结果揭示了在不同状态下TDP43的LCD能够以一种氧化还原敏感的方式自组装成具有cross-β结构特征的大分子复合物。

图4. TDP43 LCD氧化足迹与cross-β聚合物分子结构的对应关系。

综上，这项研究从TDP43 LCD在氧化还原过程中自组装过程变化出发，揭示了TDP43 能通过LCD形成进化上保守的cross-β结构，自组装成大分子复合物，这种结构特征很可能是细胞内无膜细胞器形成的基础，为生物大分子中分子间相互作用的分子机制研究提供了重要线索。

美国德州大学西南医学中心Steven L. McKnight课题组吝易博士为该论文的第一作者。吝易博士现已于2020年9月入职清华大学生命学院，清华-IDG/麦戈文脑科学研究院，及生命科学联合中心。研究组长期招聘博士后、科研助理。

原文链接：

https://www.pnas.org/content/117/46/28727

1.Lee, E.B., V.M. Lee, and J.Q. Trojanowski, Gains or losses: molecular mechanisms of TDP43-mediated neurodegeneration. Nat Rev Neurosci, 2011. 13(1): p. 38-50.

2.Buratti, E., Functional Significance of TDP-43 Mutations in Disease. Adv Genet, 2015. 91: p. 1-53. 

3.Lagier-Tourenne, C., M. Polymenidou, and D.W. Cleveland, TDP-43 and FUS/TLS: emerging roles in RNA processing and neurodegeneration. Hum Mol Genet, 2010. 19(R1): p. R46-64.