2022年1月，中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉中心劉聰課題組在iScience上在線發(fā)表一項最新研究成果，題目為 “Molecular structure of an amyloid fibril formed by FUS low-complexity domain”。該工作中發(fā)現(xiàn)漸凍人癥關(guān)鍵致病蛋白FUS通過液-固相轉(zhuǎn)化形成高度穩(wěn)定且具有細(xì)胞毒性的淀粉樣纖維聚集體，進(jìn)一步，通過低溫冷凍電鏡解析病理性纖維聚集體的原子結(jié)構(gòu)，并闡釋其液-固相轉(zhuǎn)化的分子機(jī)制，為漸凍人癥的發(fā)病機(jī)理提供新的理解。
在正常生理情況下，蛋白質(zhì)可以通過液-液相分離的動態(tài)組裝形式在多種生物學(xué)過程中發(fā)揮并執(zhí)行生物學(xué)功能。多種與漸凍人癥相關(guān)的致病蛋白（如TDP-43,hnRNPA1以及FUS等）可以通過液-液相分離形成高度可逆的淀粉樣蛋白原纖維，這個過程主要由親水相互作用及低復(fù)雜性類淀粉樣片段或可逆淀粉樣蛋白核心RACs介導(dǎo)。外界壓力刺激或疾病相關(guān)突變會促使其動態(tài)相分離調(diào)控的紊亂，導(dǎo)致蛋白進(jìn)行液-固相轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生高度穩(wěn)定的致病淀粉樣聚集體。這種高度穩(wěn)定的病理性淀粉樣聚集體的產(chǎn)生和傳播與相應(yīng)疾病的發(fā)展密切相關(guān)。
FUS在轉(zhuǎn)錄調(diào)控、RNA 代謝和 DNA 損傷反應(yīng)中起到關(guān)鍵作用。劉聰課題組前期的研究發(fā)現(xiàn)FUS可以通過RAC介導(dǎo)FUS發(fā)生液-液相分離形成高度可逆的原纖維。全長FUS及其低復(fù)雜結(jié)構(gòu)域（FUS LC）可以通過多輪接種發(fā)生液-固相轉(zhuǎn)化，從而形成高度穩(wěn)定的淀粉樣纖維，并且漸凍人癥家族遺傳突變可以加速這一液-固相轉(zhuǎn)化過程。相關(guān)研究表明FUS液-固相轉(zhuǎn)化在漸凍人癥中的潛在重要病理作用。因此，研究FUS形成高度穩(wěn)定纖維的分子機(jī)制對于了解漸凍人癥的發(fā)病機(jī)理有著重要的意義。
在本項工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)FUS LC在液-液相分離形成高度可逆的淀粉樣聚集體之后，會進(jìn)一步發(fā)生液-固相轉(zhuǎn)化形成具有高度穩(wěn)定性的淀粉樣聚集體（圖1）。這種高度穩(wěn)定的淀粉樣聚集體被發(fā)現(xiàn)具有較強(qiáng)的細(xì)胞毒性。進(jìn)一步，研究人員通過冷凍電子顯微鏡技術(shù)，確定了FUS LC形成的致病不可逆淀粉樣纖維的高分辨原子結(jié)構(gòu)。引人注目的是，高度穩(wěn)定的FUS纖維由一個巨大的纖維核心結(jié)構(gòu)構(gòu)成。纖維核心分成三個結(jié)構(gòu)單元，并通過中心的三個絡(luò)氨酸形成的分子間π-π相互作用穩(wěn)定。FUS纖維核心結(jié)構(gòu)主要由親水相互作用來穩(wěn)定，這與以前解析獲得的病理性淀粉樣纖維大多通過立體拉鏈結(jié)構(gòu)和疏水相互作用進(jìn)行組裝具有明顯的區(qū)別。
結(jié)合本課題組及其他課題組之前的研究，本工作揭示了FUS通過親水相互作用介導(dǎo)其LC的不同區(qū)段形成具有不同原子結(jié)構(gòu)的纖維形式，并分別執(zhí)行不同的生理和病理功能。FUS響應(yīng)胞外刺激信號，通過多價相互作用和可逆淀粉樣蛋白相互作用的方式發(fā)生動態(tài)液-液相分離，形成高度可逆的蛋白液滴，參與應(yīng)激顆粒的形成并執(zhí)行其正常的生理功能。同時，F(xiàn)US LC 可能使用兩個串聯(lián)的 (S/G)Y(S/G) 基序（RAC1 和 RAC2）形成高度不穩(wěn)定的淀粉樣蛋白原纖維。在諸如衰老和遺傳突變等引起的病理條件下，相分離過程的紊亂會驅(qū)動FUS進(jìn)一步通過親水相互作用組裝成高度穩(wěn)定的淀粉樣蛋白纖維，與相應(yīng)疾病的發(fā)展密切相關(guān)。
圖1 FUS通過LC介導(dǎo)形成不同結(jié)構(gòu)發(fā)揮不同功能的模式圖
中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心為本工作第一單位，劉聰研究員為本文的通訊作者，孫云鵬、章沈慶、胡姣姣同學(xué)為論文的共同第一作者。這項工作同時得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委及上海市教委的支持。
