Science：与神经系统疾病相关的突变增强低复杂性蛋白序列的自我结合

大多数蛋白折叠成稳定的、形态独特的三维形状。相比之下，真核细胞中10%到20%的蛋白质组并没有采用稳定的结构。表现出内在无序性的蛋白结构域的典型特征是由有限的氨基酸残基组成的不寻常序列，被称为低复杂性结构域（low-complexity domain, LCD）序列。蛋白中的LCD序列对细胞生物学很重要。它们排列在核孔的渗透性通道上，允许中间丝（intermediate filament）的组装，并协助组装各种不被脂质膜包围的核斑点（nuclear puncta）和细胞质斑点（cytoplasmic puncta）。尽管缺乏折叠，LCD以一种允许从水溶液中进行相分离的方式进行自我结合。相分离的试验已经成为研究LCD自我结合及其与活细胞中LCD功能的潜在关系的有用工具。这类研究产生了相互矛盾的观察结果。普遍的想法是LCD在没有任何形式的蛋白结构的情况下进行自我结合。另一种观点认为，LCD的自我结合是由不稳定结构的形成引起的，而且这种结构次序是由氢键网络促进的，允许以交叉β相互作用的形式进行有利的链间粘附，正如Linus Pauling在70年前所描述的那样。

在一项新的研究中，为了测试LCD序列是否使用主链氢键来促进相分离，来自美国德克萨斯大学西南医学中心的研究人员构建了与RNA结合蛋白TDP-43 RNA相关的LCD变体（下称构建体），且这些LCD变体在已知以交叉β构象组装的区域没有单独的氢键。这些构建体允许对主链氢键对相分离的重要性进行实验评估。在对神经丝轻链（NFL）蛋白、微管相关tau蛋白和异质核RNPA2（hnRNPA2）RNA结合蛋白的研究中，他们进一步探究了主链氢键的作用，以确定已知导致人类神经疾病的突变是否会产生额外的氢键，从而提高这些蛋白的LCD序列内交叉β相互作用的亲和力。相关研究结果发表在2022年7月1日的Science期刊上，论文标题为“Mutations linked to neurological disease enhance self-association of low-complexity protein sequences”。

这些作者制备了23个TDP-43 LCD变体，这些变体在对自我结合和相分离至关重要的区域缺乏形成单个氢键的能力。九个相邻的变体阻碍了相分离。这些变体的位置与两个不同的TDP-43蛋白低温电镜重建独立报道的交叉β结构中几乎相同的区域的位置精确对应。在疾病相关的NFL、tau和hnRNPA2蛋白的LCD序列内，替换一个脯氨酸以允许额外的氢键形成的突变体被发现形成异常稳定的自我结合体。通过化学修饰阻断与这一突变氨基酸残基相关的肽氮参与主链氢键的能力，逆转了这种异常的稳定性。

蛋白结构处于平衡的边缘，图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abn5582。

综上所述，这些作者研究的LCD序列通过形成特定交叉β组合形式的不稳定结构而发挥作用。这些结构可以通过去除单个主链氢键来削弱，或者通过人类突变添加单个氢键来加强，这表明它们在热力学平衡的阈值上保持平衡。这些结构的不稳定性为细胞组装的许多方面提供了一个动态的维度，以及通过许多形式的翻译后修饰进行调节的机会。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Xiaoming Zhou et al. Mutations linked to neurological disease enhance self-association of low-complexity protein sequences. Science, 2022, doi:10.1126/science.abn5582.