Cell Research | 刘聪/方燕姗合作阐释Hsp70调控渐冻人症病理蛋白TDP-43相分离稳态的分子机制

生物体中，蛋白质等大分子会通过液-液相分离动态组装成具有不同生理功能的生物大分子凝聚体【1】。正常细胞中，蛋白相分离始终处于精密的动态调控中，以维持生物大分子凝聚体的分相稳态及其正常生理功能；病理状态下，相分离调控紊乱会导致蛋白的液-固相转化并产生病理性蛋白聚集体，这一过程与诸多神经退行性疾病的发生发展密切相关【2】。

TDP-43蛋白具有很强的液-固相转化倾向，这一特性与ALS的病理发生密切相关。那么，当应激响应机制（如lncRNA NEAT1的高表达）被启动，TDP-43相分离被诱导并形成应激核体，正常细胞又是通过什么机制来调控TDP-43核体使其维持在具有高度动态性的“液滴状”而不发生病理性聚集的呢？

2021年7月8日，刘聪课题组与方燕姗课题组再度展开合作，在Cell Research在线发表题为 Hsp70 chaperones TDP-43 in dynamic, liquid-like phase and prevents it from amyloid aggregation 的论文，发现分子伴侣Hsp70是维持TDP-43在细胞应激下的液-液相分离稳态、抑制TDP-43病理性聚集的关键分子，并进一步揭示了Hsp70通过结合TDP-43上保守的聚集核心区域行使该调控功能的分子机制。

该研究发现，细胞应激时伴随TDP-43核体的形成，Hsp70的表达水平急剧升高。同时，Hsp70蛋白被招募到细胞核中与TDP-43核体共定位。体外实验表明，Hsp70能够与TDP-43发生共分相。并且在此过程中，Hsp70一方面能够促进TDP-43蛋白从弥散状凝集成分相液滴；另一方面显著抑制了TDP-43液滴向固态转化的进程。与之相呼应，细胞中敲低Hsp70的水平一方面减少急性应激时TDP-43核体的形成；另一方面加速持续应激时TDP-43核体的液-固相转化。这些实验结果表明，分子伴侣Hsp70响应细胞应激，不仅可以促进具有细胞保护功能的TDP-43核体的形成，而且可以在持续应激中维持TDP-43核体的液态流动性、防止TDP-43核体发生异常聚集。进一步，液态核磁共振等实验结果揭示，Hsp70通过特异性识别和结合TDP-43低复杂序列结构域（LCD）中介导其聚集的保守区域（CR），来抑制TDP-43 LCD的病理性淀粉样聚集及液-固相转化。

接下来的工作中，研究人员探究了Hsp70与病理状态下的TDP-43蛋白异常聚集的关系，发现TDP-43-K181E是一种已知的ALS致病突变，会在细胞核中形成异常聚集，特别是具有ALS病理特征的过度磷酸化的TDP-43聚集体。该团队的研究表明，过表达Hsp70能够减缓TDP-43-K181E核体发生液-固相转化，并显著减少细胞核中过度磷酸化的TDP-43-K181E病理性聚集体的大小。

综上，该工作通过运用多种细胞生物学和生物物理学研究手段，最终得出以下结论：Hsp70通过与TDP-43蛋白中介导聚集的CR片段的相互作用，在细胞应激之初协助TDP-43蛋白分相，促进TDP-43核体的组装；当细胞应激持续发生时，Hsp70与TDP-43 CR之间的相互作用则阻止了由CR-CR相互作用介导的TDP-43核体的液-固相转化，从而防止TDP-43在细胞应激时过度凝聚成病理性蛋白聚集体（图1）。

图1  Hsp70调控TDP-43核体组装及其稳态的模式图

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41422-021-00526-5

制版人：十一

参考文献

1. Banani, S.F., Lee, H.O., Hyman, A.A. & Rosen, M.K. Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry. Nature reviews. Molecular cell biology 18, 285-298 (2017).

2. Shin, Y. & Brangwynne, C.P. Liquid phase condensation in cell physiology and disease. Science 357 (2017).

3. Liu, Z. et al. Hsp27 chaperones FUS phase separation under the modulation of stress-induced phosphorylation. Nature structural & molecular biology 27, 363-372 (2020).

4. Gu, J. et al. Hsp40 proteins phase separate to chaperone the assembly and maintenance of membraneless organelles. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 117, 31123-31133 (2020).

5. Wang, C. et al. Stress Induces Dynamic, Cytotoxicity-Antagonizing TDP-43 Nuclear Bodies via Paraspeckle LncRNA NEAT1-Mediated Liquid-Liquid Phase Separation. Molecular cell 79, 443-458 e447 (2020).

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