新研究揭示小分子調(diào)控tau蛋白相分離和聚集的機制

細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等大分子通過液-液相分離（liquid-liquid phase separation，LLPS），動態(tài)組裝成高度濃縮且具有類似液體性質(zhì)的凝聚體微區(qū)，執(zhí)行不同的生物學功能。相分離的異常是多種神經(jīng)退行性疾病發(fā)病機制中的早期誘發(fā)事件之一，目前已有研究發(fā)現(xiàn)包括TDP-43，FUS，Tau等在內(nèi)的退行性疾病相關(guān)的蛋白，均能夠在細胞內(nèi)和體外發(fā)生液-液相分離，并且在特定條件下促進液-固轉(zhuǎn)化，導致病理性聚集物的形成。由于蛋白質(zhì)相分離與病理性聚集存在密切的關(guān)聯(lián)，靶向調(diào)控相分離過程和功能的小分子藥物，將有望為神經(jīng)退行性疾病的預(yù)防和治療提供全新的思路。

Tau蛋白與阿爾茨海默癥等多種神經(jīng)退行性疾病相關(guān)。在正常生理狀態(tài)下，tau蛋白具有結(jié)合微管并調(diào)控其組裝成束的功能。而在病理條件下，tau蛋白會形成以微管結(jié)合區(qū)域為核心的淀粉樣聚集物，近年研究還發(fā)現(xiàn)tau蛋白的相分離可能是導致tau蛋白淀粉樣聚集的促發(fā)因素。通過小分子藥物抑制tau蛋白的淀粉樣纖維化、解聚tau蛋白的毒性聚集體是治療tau蛋白相關(guān)疾病的策略之一。以往研究中發(fā)現(xiàn)亞甲基藍（MB）及其衍生物LMTM能夠有效抑制tau蛋白的淀粉樣聚集，但對于MB及其衍生物是否通過調(diào)控tau蛋白相分離發(fā)揮其抑制纖維化的活性尚不清楚。鑒于tau蛋白的相分離與其功能態(tài)和病理態(tài)存在的復雜關(guān)聯(lián)，深入研究MB及其衍生物對相分離態(tài)的調(diào)控作用、揭示該過程中涉及的分子間互作機制及其對tau蛋白淀粉樣聚集的影響具有重要的意義。

生物物理所柯莎課題組與湖北工業(yè)大學黃永棋課題組合作，系統(tǒng)地研究了MB通過調(diào)控tau蛋白LLPS抑制毒性聚集體生成的機制。首先，研究者發(fā)現(xiàn)MB及其衍生物LMTM能夠顯著促進tau蛋白的相分離，通過FRAP以及光鑷等實驗揭示MB能夠加速相分離態(tài)的tau蛋白液滴發(fā)生凝膠化。進一步通過NMR、FRET、以及分子對接等研究，揭示MB與tau蛋白的多個結(jié)構(gòu)域發(fā)生廣泛的相互作用，促使tau蛋白構(gòu)象伸展，促進tau蛋白形成分子間靜電作用和疏水作用網(wǎng)絡(luò)。與以往所認為的相分離態(tài)固化能夠加速淀粉樣聚集所不同的是，盡管MB促進了tau蛋白的相分離及凝膠化，但卻延緩了具有細胞毒性的tau蛋白淀粉樣纖維的生成。熒光成像及細胞毒性實驗顯示，與tau蛋白自身形成的纖維狀聚集體相比，MB誘導的tau蛋白相分離態(tài)及凝膠態(tài)降低了細胞毒性，同時對tau蛋白促進微管組裝的功能并無顯著影響。此外，以往的研究認為MB及其衍生物與tau蛋白內(nèi)在半胱氨酸的互作及氧化作用，對其發(fā)揮抑制聚集的活性至關(guān)重要，然而本研究發(fā)現(xiàn)MB通過調(diào)控tau蛋白相分離態(tài)而抑制毒性聚集體生成的過程并不依賴于MB對tau蛋白的半胱氨酸的氧化作用。

上述研究結(jié)果表明，盡管MB分子通過與tau蛋白不同結(jié)構(gòu)域的廣泛互作，加速了tau蛋白分子間相互作用網(wǎng)絡(luò)的形成，但這種分子間相互作用卻不利于具有細胞毒性的淀粉樣聚集體形成，從而揭示了MB通過調(diào)控tau蛋白相分離過程實現(xiàn)抑制其淀粉樣聚集的全新分子機制。上述研究成果于2023年9月6日在線發(fā)表在Nature Communications雜志，標題為Methylene blue accelerates liquid-to-gel transition of tau condensates impacting tau function and pathology。中國科學院生物物理所柯莎課題組項目研究員吳思和湖北工業(yè)大學黃永棋副教授、高萌博士為本文的共同通訊作者，黃永棋副教授與柯莎組博士后溫紀濤為本文的**作者，柯莎研究員對本工作的開展給予了重要指導，德國馬克斯·普朗克研究所Markus Zweckstetter教授課題組、美國肯特國立大學Hanbin Mao教授課題組、以及匹茲堡大學Junmei Wang教授課題組在核磁共振、光鑷和分子對接等方面也為本研究工作做出了重要貢獻。

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