异常的单一类型蛋白质丝状体是神经退行性疾病的标志。结构研究揭示了由两种不同但交织在一起的蛋白质制成的丝状体，为了解神经退行性疾病的起源提供了线索。

自从大约100年前首次被描述以来，神经退行性疾病一直以大脑中异常折叠的蛋白质丝状体的聚集为特征。之前对这些丝状体的结构研究表明了一个共同的主题：丝状体来源于有序的组装，这些组装由单一类型的蛋白质制成，例如tau蛋白、α-突触核蛋白或淀粉样β蛋白。Arseni及其同事在《自然》杂志上发表文章，描述了首个由两种不同蛋白质——TAR DNA结合蛋白43（TDP-43）和膜联蛋白A11（ANXA11）组成的疾病相关丝状体的观察。通过使用称为冷冻电子显微镜（cryo-EM）的技术，作者展示了这两种蛋白质的片段如何相互作用并组装成螺旋形丝状体，为这些导致疾病的实体的机制起源提供了线索。

一系列被称为带有TDP-43包含物的额颞叶变性（FTLD-TDP）的神经退行性疾病，其特征是蛋白质TDP-43的聚集。至少有四种类型的FTLD-TDP（A型至D型），它们根据大脑中TDP-43聚集物的分布和形状进行区分。先前的研究2,3揭示了A型和B型中TDP-43丝状体的结构。有趣的是，尽管TDP-43在两种疾病类型中都形成了纤维，但每种类型中的丝状体都有独特的重复结构褶皱。其他与神经退行性相关的蛋白质，如tau蛋白4，也可以在疾病中产生不同的丝状组装体，这表明上游生物现象可能决定了易聚集蛋白质的结构亚型。

在本研究中，作者解决了FTLD-TDP C型中发现的丝状体的结构，这是一种在遗传学、临床和病理学上都独特的类型。与A、B或D型不同，C型没有特定的遗传突变与之关联。临床上，C型患者经常有一种特定形式的语言功能障碍，这在A、B或D型患者中通常看不到。C型患者大脑中TDP-43聚集物的细胞分布也是独特的。在A、B和D型中，TDP-43聚集物形成于神经元细胞体内。然而，在C型中，线状的TDP-43聚集物出现在轴突和树突中——这些是促进神经元间通信的长细胞延伸部分。

首先，Arseni及其同事从患有FTLD-TDP C型的个体的大脑组织中提取了TDP-43丝状体。然后，他们捕捉了成千上万张丝状体的cryo-EM图像，以生成一个三维重建图。所得结构形成了一个风筝形横截面和左手螺旋扭曲（图1），与FTLD-TDP A型和B型中的结构不同。在所有四个受试者样本中发现了这个形状，确立了它作为典型C型折叠。

图1 | 混合蛋白丝状体。TDP-43蛋白质的丝状体是带有TDP-43包含物的额颞叶变性（FTLD-TDP）这种神经退行性疾病的标志。Arseni等人1解析了FTLD-TDP C型中TDP-43丝状体的结构，并发现，令人惊讶的是，第二种蛋白质，称为ANXA11，与TDP-43交织在一起。a，在神经元中，TDP-43和ANXA11一起穿过细胞并通过低复杂度域在称为RNA颗粒的无膜浓缩物和称为溶酶体的有膜细胞器之间的界面处可能相互作用。ANXA11使RNA分子能够在溶酶体沿着神经突起（轴突和树突）移动时“搭便车”，以便在远离神经元细胞体的地方进行蛋白质合成。b，在FTLD-TDP C型中，TDP-43和ANXA11的片段（仅低复杂度域）相互作用并形成丝状组装体，这些组装体在轴突和树突中呈现为线状聚集物。这些蛋白质在正常条件下的紧密联系可以解释它们在疾病中共聚集的倾向。

令人惊讶的是，作者发现构成丝状体的是两条分离但交织在一起的蛋白链。通过从cryo-EM重建中解析氨基酸侧链，他们发现其中只有一条链与TDP-43的蛋白质序列匹配。在人类蛋白质组（完整的人类蛋白质集合）中寻找第二条链的身份后，作者找到了一个唯一的匹配项。ANXA11，一种钙依赖性膜结合蛋白，构成了与TDP-43链紧密相互作用的第二条链。一个隐藏在丝状体核心的疏水界面将这两个链连接在一起。

这些混合丝状体的存在代表了对TDP-43作为神经退行性孤独因子的传统观点的重大转变。这些发现还提出了许多关于额颞痴呆发生的分子过程以及相关纤维形成的来源的迷人问题。

TDP-43和ANXA11都是称为RNA颗粒的细胞结构的组成部分，这些结构动态组装以调节RNA代谢、运输和翻译5。TDP-43通过两个RNA结合基序直接与RNA结合，从而直接调节RNA代谢。ANXA11可以同时与RNA颗粒和称为溶酶体的有膜细胞器相互作用，通过一种“溶酶体搭便车”机制6促进RNA在整个轴突和树突中的运输。这一现象使得局部蛋白质合成成为可能，这对诸如轴突修复和记忆形成等过程至关重要7,8。

这两种蛋白质的关键物理特性可能是它们共聚集倾向的基础。形成混合纤维的TDP-43和ANXA11片段由低复杂度域组成，这些域经历液-液相分离，这一过程类似于油从水中分离出来。有趣的是，TDP-43和ANXA11在轴突中的溶酶体上一起移动6。它们还在称为应激颗粒的细胞结构中共同定位6，应激颗粒是在细胞扰动后形成的蛋白质和RNA的凝聚物。ANXA11的低复杂度域对于驱动ANXA11和TDP-43在应激颗粒中的共同定位既是必要的也是充分的。因为FTLD-TDP C型中混合TDP-43–ANXA11丝状体的独特的线状聚集物主要发生在轴突和树突中，所以可能的是，在RNA运输期间TDP-43和ANXA11之间的生理相互作用是它们最终在疾病中共聚集的基础9（图1）。过去五年的研究探索了涉及不同蛋白质的相分离的动态和决定因素10,11。这些研究对于理解FTLD-TDP C型的发病机制可能特别相关。

尽管这些观察结果非常显著，但该研究有重要的局限性。为了排除由组织提取引起的人为现象，作者用针对TDP-43和ANXA11的抗体标记了完整的C型脑组织，并使用荧光显微镜可视化这些蛋白质的位置。与他们最初的发现一致，作者发现所有聚集物都显示了TDP-43和ANXA11的标记。今年早些时候，另一个团队在来自患有FTLD-TDP C型的个体的大量尸检脑组织中报告了类似的发现12。尽管在显微镜下这些蛋白质的共同定位表明混合丝状体可能在体内发生，但不能排除为进行体外结构研究所准备的丝状体引起的人为现象。未来使用先进技术的结构研究——例如那些用于表征阿尔茨海默病个体尸检脑组织中淀粉样β蛋白和tau蛋白亚细胞定位的技术9——将需要验证混合TDP-43和ANXA11丝状体的存在和定位。

最后，作者观察到蛋白质丝状体的分子量远大于基于结构的预测。由于cryo-EM通常只准确解析重复结构，这表明丝状体可能被额外的ANXA11和TDP-43氨基酸残基的“模糊外套”所包围。需要进一步的研究来解析这些残基是什么，以及它们如何影响构成较大聚集物的相邻丝状体之间的关系。

展望未来，单一混合纤维的发现应该促使人们在神经退行性疾病谱系中寻找更多的混合纤维，从已知与TDP-43共聚集的蛋白质开始，如RNA结合蛋白ataxin-2和hnRNPA2。在相关疾病如运动神经元病（肌萎缩侧索硬化症）、包涵体肌炎和以边缘系统为主的年龄相关性TDP-43脑病（称为LATE）中看到的TDP-43聚集物中存在混合纤维吗？在FTLD-TDP C型以外的疾病中，如与家族性ALS形式相关或因编码ANXA11的基因突变而引起的额颞叶痴呆，ANXA11聚集物的纤维结构是什么样的？

最后，C型丝状体的混合本质表明ANXA11可能影响TDP-43纤维的形成和稳定性，改变疾病的进展和严重程度。假设可以在不干扰潜在的关键生理相互作用的情况下实现，针对TDP-43和ANXA11之间的相互作用可能会为神经退行性疾病提供新的治疗途径。