突破性研究挑战帕金森病蛋白聚集的关键理论

诸平

Fig. 1 A new study reveals that liquid droplets formed by proteins may protect against, rather than promote, the aggregation into amyloid fibrils seen in Parkinson’s disease, suggesting potential new therapeutic avenues.

Fig. 2 Rebecca Sternke-Hoffmann (L) and Jinghui Luo (R) from PSI’s Laboratory of Nanoscale Biology. Credit: Paul Scherrer Institute PSI/Sternke-Hoffmann

据瑞士保罗·谢勒研究所{Paul Scherrer Institute（PSI）, Forschungsstrasse 111, Villigen, Switzerland}2024年9月16日提供的消息，突破性研究挑战帕金森病蛋白聚集的关键理论（Groundbreaking Study Challenges Key Theory on Parkinson’s Disease Protein Aggregation）。研究增强了我们对与蛋白质聚集相关的神经退行性疾病的理解。

2024年7月7日发表在《先进科学》(Advanced Science)杂志网站的一项研究——Rebecca Sternke-Hoffmann, Xun Sun, Andreas Menzel, Miriam Dos Santos Pinto, Urte Venclovaite, Michael Wördehoff, Wolfgang Hoyer, Wenwei Zheng, Jinghui Luo. Phase Separation and Aggregation of α-Synuclein Diverge at Different Salt Conditions. Advanced Science, 2024 Jul 7: e2308279. DOI: 10.1002/advs.202308279. Epub 7 July 2024.

参与此项研究的有来自瑞士保罗·谢勒研究所（PSI）、德国杜塞尔多夫大学（Heinrich-Heine University Düsseldorf, Düsseldorf, Germany）以及美国亚利桑那州立大学（Arizona State University, Mesa, AZ, USA）的研究人员。

此研究表明，液-液相分离不会导致帕金森病（Parkinson’s disease）的病理特征淀粉样蛋白纤维的形成。相反，该研究表明，将蛋白质形成液滴（droplets）可能有助于溶解聚集的蛋白质。这项研究提高了我们对与蛋白质聚集相关的神经退行性疾病的认识，并可以为新的治疗策略的发展提供信息。

在油中加入醋并摇晃:油滴形成。液-液相分离的概念已经在日常生活中为人所知，但它在细胞中的存在已经发展成为生物学中最热门的话题之一。

15年前，人们发现蛋白质分子可以在没有外膜的情况下从细胞质中分离出来，凝结成液滴。在蛔虫胚胎（roundworm embryos）中，蛋白质和RNA被发现形成微小的液滴，有助于在早期生长阶段管理遗传物质。

这一发现催生了一种思考细胞的新方式。经过进化优化，液-液相分离具有很高的功能性。这种液滴可以让细胞划分分子并调节生化反应。现在，随着人们对这种可能性的关注，研究人员发现它们无处不在:在细胞核中帮助组织DNA，形成压力颗粒来保护和调节mRNA，在微管的末端，作为一种智能分子胶来定位细胞核以进行细胞分裂。

液滴除了具有重要的功能外，还与疾病有关。对于以蛋白质聚集形成为特征的神经退行性疾病，如阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease）和帕金森病（Parkinson’s disease），人们一直认为蛋白质滴（protein droplets）是病理蛋白质聚集的前兆。

这一理论背后的想法是，液滴可以浓缩某些蛋白质，这可以推动它们聚集在一起。支持这一观点的是大量的观察结果，即某些条件，如盐浓度或pH值，同时促进蛋白质的聚集和凝结。然而，这两者之间是否有联系，以及究竟如何联系，仍未得到证实。

现在，在对聚集和液-液相分离之间关系的最全面的探索中，保罗·谢勒研究所（PSI）领导的一个研究小组发现，液滴的形成不会导致聚集;相反，它可能会保护它防止聚集。

500个条件(Five hundred conditions)

研究人员研究了α-突触核蛋白(alpha-synuclein简称αSyn)的蛋白，这种蛋白（αSyn）聚集在一起形成淀粉样蛋白原纤维，最终导致帕金森病患者的细胞死亡。

为了确定聚集和液滴形成之间的真正联系，研究人员系统地研究了在各种条件下的行为:蛋白质浓度、盐浓度、以及各种浓度的聚集剂（crowding agents）的存在，这些聚集剂模拟了细胞质的复杂分子环境。每一种都在不同的pH值下进行了研究。

研究人员总共研究了500多种不同的情况。在每种情况下，他们对液滴形成或聚集的过程进行了长达4个月的跟踪，使用光学显微镜拍摄了常规图像。

为了研究如此多的条件，研究人员使用了瑞士光源（Swiss Light Source简称SLS）的机器人结晶设备（robotic crystallization facility）。该技术通常用于制备用于X射线晶体学实验的蛋白质晶体。

该研究的第一作者、PSI博士后研究员丽贝卡·斯特恩克-霍夫曼(Rebecca Sternke-Hoffmann)解释说：“在大型设施中与光束线科学家一起工作，使我们能够从不同的角度解决这个问题。”“有趣的是，晶体学家早就知道蛋白质可以形成液滴。这只是他们在寻找完美晶体的过程中观察到的另一件事，”领导这项研究的PSI科学家罗景辉（Jinghui Luo音译）补充说。

为了补充这个宏观的故事，研究人员在瑞士光源（SLS）上使用了小角度X射线散射(Small-Angle X-ray Scattering简称SAXS)测量，并进行了模拟来理解微观图像。

油醋（Vinegar in oil）和牛奶醋（vinegar in milk）是不同的工艺。

细致的实验表明，产生稳定液滴或蛋白质聚集的条件是不一样的。与传统的液滴形成聚集体的理论相反，研究人员发现，在不同的蛋白质、盐和聚集条件下，αSyn中的液滴和聚集体都是独立形成的。

通过他们长时间的研究，研究人员可以看到液滴是否真的进化成聚集体。答案是，即使过了120天，它们也没有聚集。事实上，液滴非但没有促进聚集成原纤维，反而明显具有相反的作用。在长时间的孵化过程中，以前认为不可逆的原纤维（fibrils）变成了液滴（droplets）。

罗景辉说：“这一观察结果指出了液滴在特定条件下阻止固体聚集体形成的功能作用。”目前对细胞中液-液相分离的理解，认为它是一种与功能相关的高度进化的特征，而聚集，特别是αSyn，与疾病有关。他认为，“从这个角度来看，如果蛋白质液滴是蛋白质聚集的前体，那就有点令人惊讶了。”

通过SAXS测量以及模拟和序列分析，研究人员可以理解他们观察到的差异:聚集主要是由于单个蛋白质分子尾部之间的相互作用而发生的，而液-液相分离是由于不同蛋白质分子之间的相互作用而发生的。

将这一发现与油和水的类比联系起来:在油中加入醋，油就会形成液滴。在牛奶中加入醋，就会形成坚硬的蛋白质聚集体。尽管在这两种情况下，醋都是罪魁祸首，但控制聚集和液滴形成的过程却截然不同。

神经退行性疾病的新分子认识(New molecular understanding of neurodegenerative diseases)

对蛋白质聚集和液-液相分离之间复杂相互作用的更深入了解，不仅与帕金森病有关，而且与其他以蛋白质聚集为特征的神经退行性疾病有关，包括阿尔茨海默氏症（Alzheimer’s disease）、亨廷顿氏症（untingdon’s disease）和克雅氏病（Creutzfeldt-Jakob disease）。反过来，这可能会导致新的治疗方法。

本研究得到了美国国家科学基金会（MCB-2015030/National Science Foundation）、美国国立卫生研究院（R35GM146814/NH/NIH HHS/United States）、瑞士国家科学研究基金会（197626/Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung）以及光明聚焦基金会（A20201759S/BrightFocus Foundation）的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The coacervation of alpha-synuclein (αSyn) into cytotoxic oligomers and amyloid fibrils are considered pathological hallmarks of Parkinson's disease. While aggregation is central to amyloid diseases, liquid-liquid phase separation (LLPS) and its interplay with aggregation have gained increasing interest. Previous work shows that factors promoting or inhibiting aggregation have similar effects on LLPS. This study provides a detailed scanning of a wide range of parameters, including protein, salt and crowding concentrations at multiple pH values, revealing different salt dependencies of aggregation and LLPS. The influence of salt on aggregation under crowding conditions follows a non-monotonic pattern, showing increased effects at medium salt concentrations. This behavior can be elucidated through a combination of electrostatic screening and salting-out effects on the intramolecular interactions between the N-terminal and C-terminal regions of αSyn. By contrast, this study finds a monotonic salt dependence of LLPS due to intermolecular interactions. Furthermore, it observes time evolution of the two distinct assembly states, with macroscopic fibrillar-like bundles initially forming at medium salt concentration but subsequently converting into droplets after prolonged incubation. The droplet state is therefore capable of inhibiting aggregation or even dissolving aggregates through heterotypic interactions, thus preventing αSyn from its dynamically arrested state.