《Biophysical Chemistry》：Heterotypic phase separation in aggregation: Driver or deterrent?
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液液相分离（LLPS）在神经退行性疾病中起关键作用，本文聚焦tau和α-synuclein的异型LLPS机制，分析其形成的共定位微环境如何调控蛋白聚集动力学及病理进程，总结出合作异型LLPS、支架-客户端和交叉相互作用驱动三种模式，为疾病治疗提供新视角。
Tina Jacob | Wolfgang Hoyer
德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学数学与自然科学学院物理生物学研究所，40204杜塞尔多夫，德国
摘要
近年来，与神经退行性疾病相关的蛋白质的液-液相分离（LLPS）受到了越来越多的关注，因为它可能在功能性蛋白质单体向病理聚集体的转变过程中起作用。然而，相分离导致蛋白质功能丧失和促进聚集的机制仍不完全清楚。最近的研究表明，多种蛋白质或其他生物分子可以在生物分子凝聚体内共定位，从而创建一个高度交互的微环境，这种环境可以调节聚集过程。在这篇综述中，我们研究了tau蛋白和α-突触核蛋白（这两种关键神经退行性疾病相关蛋白）的异质相分离。通过汇总最新发现，本文强调了异质凝聚体在疾病进展中的调节作用，并试图提供对神经退行性病变中蛋白质聚集调控的另一种视角。
引言
液-液相分离（LLPS）是指从均匀溶液中产生不同相的过程。在真核细胞中，相分离是一种重要的机制，它将生物分子空间组织成动态的隔室，以促进特定的细胞功能[[1], [2], [3]]。这些隔室不同于传统的细胞器，因为它们没有膜，无法选择性地调节分子通过膜的运动。通常，它们表现出类似液体的特性，并采用球形，以最小化界面表面能[4]。它们与周围的细胞质进行快速的分子交换，并经历如奥斯特瓦尔德成熟和融合等物理过程，进一步降低系统能量[5]。Strome和Wood等人是最早认识到P-颗粒是一种具有液体特性的无膜细胞器的先驱[6]。此后，发现包括核仁[7]、Cajal小体[8]、应激颗粒[9]在内的多个其他细胞系统也是通过LLPS形成的。
尽管仍处于研究的早期阶段，LLPS已被证明是调节多种生物过程的基本机制。LLPS在转录和翻译、信号转导、应激反应、染色质组织和DNA损伤反应中起着关键作用[10,11]。最近的研究还强调了LLPS在癌症生物学中的作用，表明它有可能作为调节药物疗效和克服肿瘤细胞耐药性的治疗靶点[[12], [13], [14]]。LLPS对环境条件非常敏感，因此受到温度、pH值、翻译后修饰以及与小分子相互作用的强烈影响[10,12,15]。为了保持焦点并避免重复，本文将专门探讨与神经退行性疾病相关的蛋白质的相分离。
蛋白质聚集对生物系统构成了重大挑战，常常导致细胞功能障碍和神经退行性疾病[[16], [17], [18]]。聚集后，蛋白质会发生错误折叠并形成非天然结构，从而增加细胞毒性。最近，相分离作为从功能性蛋白质状态向病理聚集体转变的潜在中间过程受到了关注[19,20]。已经证明，与神经退行性疾病相关的几种蛋白质在达到临界浓度或受到外部刺激时会发生相分离[21]。
蛋白质发生相分离的倾向很大程度上取决于其结构。含有较多内在无序区域（IDRs）和低复杂性结构域（LCDs）的蛋白质更容易发生相分离。IDRs是蛋白质中的多功能、高度灵活且无结构的区域，在相分离过程中可以显著促进多价相互作用[22,23]。LCDs是蛋白质中成分偏重的区域，通常是IDRs的子集。然而，IDRs和LCDs并不是相分离的必要条件；蛋白质的相分离能力还受到翻译后修饰、环境条件以及异质相互作用的影响[22]。饱和浓度（Csat）表示分子发生相分离的临界浓度，是决定相分离倾向的关键因素。包括温度、pH值、离子强度、内在分子性质以及与其他分子的相互作用在内的多个因素都可能影响Csat。虽然蛋白质的自组装和相分离已经得到了广泛研究，并且与多种神经退行性疾病有关[1,[24], [25], [26]]，但本文将重点讨论异质LLPS，探讨不同分子种类之间的相互作用如何驱动或调节凝聚体的形成和聚集。
无膜细胞器可以包含数十到数百个成分，这些成分通过广泛的亲和力和化学计量比进行相互作用。它们的形成受到同型相互作用和异型相互作用相对强度的影响[3,27]。当多种生物分子被招募到一个单一的凝聚液相中时，它们会创建促进生化反应并增强细胞区室化的微环境[28]。这种招募过程形成了由两个、三个或多个成分组成的系统，从而产生异质组织，通常称为异质LLPS或多组分LLPS。同型LLPS涉及相同分子的自组装，而异质凝聚体则是由不同类型分子之间的多价相互作用形成的，包括静电相互作用、疏水相互作用、π–π相互作用或阳离子–π相互作用[29]。
我们考虑了三种可能的异质系统情况；其他情况已在其他地方讨论过[30,31]。(i) 合作型异质相分离；两种成分都有强烈的自相互作用，并且都能发生相分离。它们还表现出强烈的交叉相互作用，并能有效形成异质凝聚体。(ii) 支架-客户型异质相分离；在这种情况下，支架成分可以单独发生相分离，而客户成分虽然没有相分离能力，但对支架有很强的亲和力，会被招募到支架凝聚体中。这种支架-客户系统将在后面的部分详细阐述。(iii) 交叉相互作用驱动的异质相分离。在这种系统中，两种成分都不能单独发生相分离，相分离只能通过强烈的相互交叉相互作用来实现。
最近的研究强调了与神经退行性疾病相关的蛋白质形成具有不同生物物理性质的异质凝聚体的能力[3,32]。这一现象因其可能在细胞内以及动物模型中的协同毒性作用而受到广泛关注。一种蛋白质被招募到另一种蛋白质的凝聚体中也可能为蛋白质的协同聚集提供基础。例如，已知在各种痴呆症中共同聚集的淀粉样蛋白αS和tau也被证明可以形成异质液滴，这可能对阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（PD）的病理生理学有所贡献[31,33]。此外，研究表明多种蛋白质的协同作用会加速神经毒性[[34], [35], [36], [37], [38]]，这突显了在异质背景下研究蛋白质相行为的重要性。
在支架-客户型异质凝聚中，分子被分为支架和客户。支架成分在驱动凝聚体形成方面起着关键作用，然后这些凝聚体会招募客户成分。支架具有形成凝聚体的内在触发机制，这种机制由多价相互作用或LCDs的存在驱动。客户成分本身并不倾向于凝聚，但由于它们对支架的亲和力，会被招募到支架形成的隔室中，并能显著影响凝聚体的稳定性和结构特性[27],[40],[41],[42],[43]。低价客户成分会竞争支架-支架结合位点，从而降低支架的连接性和凝聚体的稳定性。相反，高价客户成分会形成额外的客户-支架相互作用，增加凝聚体的稳定性[42]。然而，支架蛋白对客户分子的招募对于凝聚体的形成本身可能并不是必需的。客户成分分配的一个关键决定因素是带电支架成分和客户成分之间的静电相互作用。负电荷分子，如RNA，由于与带正电的支架蛋白之间的有利静电相互作用，表现出强烈的进入凝聚体的倾向，因此这种分配可以通过离子的存在来调节[44]。此外，成分的浓度、相分离条件、客户蛋白质的特定氨基酸组成以及翻译后修饰也可以调节其进入凝聚体的分配[27,45]。重要的是，对于某些系统来说，支架和客户之间的区别可能并不明显，并且可能会随细胞条件的变化而变化[41]。尽管如此，区分支架和客户对于理解凝聚体的组成仍然很有用。
在接下来的部分中，我们旨在整合两个关键的研究领域：分子相互作用研究和相分离研究。我们讨论了tau蛋白和αS蛋白的异质相分离伙伴，分析了它们相互作用的驱动力、它们与相应蛋白质的先前关联以及它们对形成的异质凝聚体的影响。我们进一步根据它们对tau蛋白和αS蛋白聚集的影响对每种异质系统进行了分类。
章节摘录
αS蛋白
Parkinson病（PD）是一种常见的神经退行性疾病，其特征是多巴胺能神经元的逐渐丧失。PD病理的标志性特征是α-突触核蛋白（αS）聚集形成路易小体。编码αS的SNCA基因的基因突变和表达改变是疾病进展的关键因素[[150], [151], [152], [153]]。
αS是一种由140个氨基酸组成的蛋白质，主要在中枢神经系统的神经元中表达……
象限图总结
在这篇综述中，我们总结了tau蛋白和αS蛋白的异质相分离伙伴。图3(a)和(b)展示了tau蛋白和αS蛋白的相分离伙伴在象限图中的位置。每个伙伴的位置基于其对两个方面的影响：(i) 相分离，通过异质凝聚体的物理性质来判断，包括数量、大小和流动性；(ii) 蛋白质聚集，包括成熟动力学、聚集体的形成过程等
结论与未来展望
总之，异质相分离作为一种关键机制，调节了包括tau蛋白和αS蛋白在内的关键神经退行性疾病的聚集行为。我们的综述指出，通过与不同伙伴的相互作用形成的异质凝聚体可以增强或抑制病理聚集，揭示了生物分子凝聚体内的复杂调控网络。
这些凝聚体内的支架和客户成分之间的相互作用决定了凝聚体的性质
CRediT作者贡献声明
Tina Jacob：撰写——原始草稿、可视化、研究、形式分析、概念化。Wolfgang Hoyer：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
