Nat Nanotechnol | 高国铭等利用单分子示踪揭示FUS凝聚体内部纳米微区结构及其驱动的凝聚体纤维化机制|凝聚体|动力学|微区|示踪|纤维化|纳米|高国铭

生物分子凝聚体（Biomolecular condensates）作为细胞内广泛存在的无膜细胞器，通过液-液相分离（LLPS）富集蛋白质和RNA。其独特的物理化学微环境使得凝聚体能够高效地组织和调控细胞内的生化反应，如基因转录、RNA代谢及信号转导等。

过去，单相凝聚体内部被视为一个均一的、高连通性的液态环境，分子在其中进行均一的自由布朗运动。然而，这一均一性的物理模型在面对病理学现实时显得捉襟见肘。许多神经退行性疾病，如肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞叶痴呆（FTD），其发病机制与特定RNA结合蛋白（如FUS、TDP-43）凝聚体的异常相变密切相关。这些病理相关的凝聚体并非静态的液滴，而是会随着时间推移经历一个被称为“陈化”（ageing）的过程，逐渐从生理性的液态转变为病理性的固态（纤维化）。如果凝聚体内部完全均一，那么这种长时程、渐进式的液-固转变就缺乏微观尺度上的物理基础。这提出了一个科学问题：凝聚体内部是否存在某种尚未被发现的精细物理结构，它们既打破了内部的均一性，又充当了病理转变的早期驱动因素？

为了解答这一问题，研究人员推测凝聚体内部可能存在局部连通性转变（local percolation），即形成某种微观结构导致分子扩散受限。然而，验证这一假设面临着技术挑战。虽然单分子示踪（ single -molecule tracking, SMT）技术有潜力揭示微观扩散行为，但传统SMT在观测悬浮液滴时，无法区分分子自身的受限运动与凝聚体整体的布朗运动（平移和旋转）。这种整体运动产生的背景噪声往往掩盖了真实的微观动力学信息，使得传统SMT无法精确测量凝聚体内的慢速或受限分子。

近日，密歇根大学Nils G. Walter团队在Nature Nanotechnology杂志上在线发表了题为 Nanoscale domains govern local diffusion and ageing within fused-in-sarcoma condensates 的研究论文。在该项研究中，研究团队开发了一种在玻片表面对凝聚体进行适当且微量的多位点锚定技术，在不影响凝聚体形态、不导致凝聚体浸润玻片的前提下消除了单个凝聚体自身的布朗运动，从而实现了对凝聚体内部微观动力学的精准单分子示踪。通过该技术，研究者首次在液态FUS凝聚体内部发现了尺度在100至200纳米之间的纳米微区（Nanodomains），证实了单相凝聚体在微观尺度上可以具有非均一的组织结构、揭示了局部连通性转变如何通过调控分子驻留时间来影响生化反应结果，并提出了由纳米微区空间重排驱动的病理性纤维化新机制。

凝聚体内单分子轨迹分析显示，FUS蛋白和RNA分子并非在进行全局自由扩散，而是被动态地局限（ d ynamically confined ）在上述纳米微区内。这一微观现象证实了局部连通性转变的存在，表明即便在宏观上看似均一的凝聚体内部，微观上实际上是由连通性各异的异质性渗流网络交织而成。这一发现确立了凝聚体内部的非均一性物理图景。

图1:凝聚体内单分子示踪重构图像显示均一的单相凝聚体内的RNA和蛋白扩散被受限于纳米微区内

进一步的研究揭示，这些纳米微区不仅仅是物理结构，更是凝聚体行使生物学功能的关键“调节器”。凝聚体的一个核心功能是调控各类生化反应，如RNA的转录后修饰或蛋白的翻译后修饰。这些反应的效率在很大程度上取决于底物分子在凝聚体内的驻留时间 ——分子停留得越久，被酶修饰或处理的概率就越高。在凝聚体生物学中，通常将组分分为驱动相变的支架分子（scaffolds）和被招募进入的客体分子（guests）。研究发现，纳米微区通过改变局部的扩散性质（例如使分子从自由扩散转变为受限扩散），显著延长了客体分子的驻留时间。同时，客体分子的存在及属性（例如RNA的长度、结构等）也能反向调控纳米微区的物理属性，如纳米微区的大小及其对扩散的限制能力。这意味着，纳米微区为凝聚体如何精确调控客体分子的命运提供了具体的物理机制，使得凝聚体能够根据需要“捕获”或“释放”特定的生化反应底物。

此外，该研究建立了微观物理结构与宏观病理现象之间的直接联系，提出了由纳米微区驱动的纤维化新模型。在探究凝聚体的陈化机制时，研究人员发现纳米微区并非静止不变，而是会随着时间推移发生空间重排，呈现出向凝聚体边缘（periphery）迁移的趋势。这些迁移至边缘的纳米微区携带了其特有的高连通性和局部化学环境，正是这种特殊的微观环境为病理性纤维化提供了成核的温床。这解释了为何在ALS等疾病相关的凝聚体中，蛋白聚集往往首先出现在凝聚体的表面。此外，通过测试依达拉奉（Edaravone）和利鲁唑（Riluzole）等抗ALS药物，研究发现这些药物能够改变纳米微区的物理属性，进而影响纤维化的动力学过程，这验证了靶向微观物理结构进行疾病干预的可行性。

综上所述，该研究通过技术创新打破了长久以来关于凝聚体内部均一性的传统认知，确立了纳米微区作为其核心结构单元的物理模型。这一工作不仅在揭示了凝聚体内纳米微区的形成、如何调控分子功能，更在病理层面揭示了神经退行性疾病中异常相变的微观起源，为理解细胞内无膜细胞器的复杂行为及相关疾病的治疗提供了全新的视角。

密歇根大学生物物理学博士高国铭（已毕业，现为美国加州理工学院博士后）与 Emily R. Sumrall 博士为该论文的共同第一作者，密歇根大学 Nils G. Walter 教授为该论文的通讯作者。

原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41565-025-02077-x

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（*排名不分先后）