【科学普及】当神经退行性疾病遇上相分离：拨云见日终有时

1994年11月5日，前美国总统罗纳德·里根发表致美国人民的一封信，宣布他诊断出患有阿尔茨海默病（俗称“老年痴呆”），在信中里根表示随着阿尔茨海默病的进展，家庭往往承受着沉重的负担；

2014年，由波士顿学院前棒球选手Pete Frates发起一项名为冰桶挑战（ALS Ice Bucket Challenge）的慈善活动，旨在提高公众对渐冻人症（肌肉萎缩性侧索硬化症，ALS）的认识。该活动迅速风靡全球，包括科技界、演艺界、体育界等众多领域的名人都参与了挑战，形成了巨大的社会影响力。

2024年，京东原副总裁蔡磊被确诊为肌萎缩性侧索硬化症即将满5年。在这5年时间里，他在研究和宣传渐冻症上投入了大量精力，令人敬佩。可是他的身体每况愈下，看起来再普通不过的感冒，却可能让他与死神擦肩而过。

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近年来，老年痴呆和渐冻症等神经退行性疾病已经引起了越来越多人的关注。尽管科学界在探索其发病机制、诊断方法及治疗手段上取得了显著进展，但要真正攻克这些神经退行性疾病，仍是一条漫长且充满挑战的道路。

前美国总统罗纳德·里根

冰桶挑战

神经退行性疾病仍存在许多未解之谜。我们尚未能确切地理解这些疾病的发病机制，更无法提供根本性的解决方案。不过，在近十余年的生物学研究中，一道新的曙光悄然出现，提供了研究这些疾病的新思路——相分离。

当我们将油滴入水中时，尽管两者均为液体形态，但由于它们之间显著的密度差异，它们会自然而然地分离成两个界限清晰、互不混溶的液相，这便是我们日常生活中屡见不鲜的液-液相分离现象（图1）。

有趣的是，这种相分离现象同样存在于生物体内。在细胞中，一些特定的蛋白质和RNA分子，由于它们之间的多价相互作用，会自发地聚集成液滴状结构。这种在细胞内发生的相分离现象被称为生物大分子相分离。

这些由蛋白质、RNA或其他生物大分子自发聚集形成的液滴，在细胞内具有流动性。它们能够相互靠近、聚集，或是分散，从而构建出一个个高度动态变化的分隔结构。这种独特的结构不仅丰富了细胞内的微环境，还赋予了细胞更高的灵活性和适应性。

这些液滴在细胞生物学中扮演着举足轻重的角色，它们被形象地称为“无膜细胞器”，即一类没有传统脂质膜包裹的细胞功能性结构。无膜细胞器与那些由磷脂膜包被的有膜细胞器并肩作战，共同编织出细胞内部复杂而精细的空间布局（图2）。

除了作为细胞精细结构的一种分隔形式之外，这些无膜细胞器还拥有独特的分子组成。它们能够通过复杂的相互作用来执行一系列关键的生物功能，如调节基因表达、促进蛋白质合成与降解、以及参与信号传导等。因此，它们对于维持细胞稳态、促进细胞生长与分化以及响应外界环境变化等方面都具有不可或缺的作用。

图1 油水混合发生的相分离（左）以及实验中生物大分子相分离（右）

以细胞核内的组蛋白为例，组蛋白聚集形成八聚体的核小体，将冗长的DNA反复折叠缠绕，通过液-液相分离的方式调节染色体的区室化。形成高度有序且紧凑的结构。此外，还有那些参与转录和翻译调控，以及应对环境应激的相分离液滴，它们宛如细胞内的“智能工厂”或“精密空间”，为基因信息的转录与蛋白质的合成提供了精确而高效的平台，确保了生命活动的基本过程得以顺畅进行。

图2 无膜细胞器与细胞中的精细结构

尽管“液液相分离”现象在高分子物理领域已经历了数十年的深入研究，但直到2009年，这一概念才在生物学领域迎来突破性进展，由英国科学家Anthony A. Hyman领衔的研究团队创新性地将其引入，并成功揭示了秀丽隐杆线虫生殖细胞内P颗粒（P granules）的液态行为及其复杂的相变过程¹。此后，科研界掀起了一股探索热潮，不仅发现了更多种类的无膜细胞器，还借助体外重构技术、蛋白组学分析以及大规模数据处理等手段，深入剖析了这些细胞器内部相分离现象发生的分子基础——即多价互作（multivalent interactions）的形成机制²（图3a）。这一系列发现极大地丰富了我们对细胞内部复杂结构与功能之间关系的理解。

值得注意的是，细胞中还存在大量未知的相分离凝聚体，可能参与更多生命活动的调控。同时，关于相分离如何调节生理功能的分子机制也亟待我们运用先进的科学技术手段，进一步深入探索，以揭开其隐藏的奥秘。

促进相分离形成的关键驱动力之一源自蛋白的无序区域（Intrinsically Disordered Region, IDR）³。这类蛋白具有高度灵活性和丰富的构象多样性，不仅能够通过液-液相分离机制自发形成液滴状结构，还能在某些条件下转变为纤维状固态聚集。随着科学研究的不断深入，科学家们揭示了IDR上的特定氨基酸突变能够破坏原有的相分离平衡，甚至进一步发展为不可溶的纤维化聚集体（图3b）。这一现象为我们深入探索这些疾病的发病机理提供了新颖且重要的视角。

图3 液液相分离和异常相分离

文章一开始我们提到了两种极具代表性的神经退行性疾病，肌萎缩性侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS）和阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease, AD）。这两种疾病都以其独特的方式，残酷地影响着患者的生活质量。在ALS中，运动神经元遭受破坏，导致肌肉逐渐失去力量并萎缩，最终严重影响到患者的运动能力和日常生活自理能力。而在AD中，情况则截然不同，患者的记忆和认知功能区域受损，随着时间的推移，他们的记忆力和认知能力逐渐衰退，昔日的回忆和眼前的现实都变得模糊不清。这两种疾病虽然表现形式各异，但都无情地剥夺了患者宝贵的自由行动能力和记忆空间，给个人和家庭带来了巨大的痛苦和挑战。

其中，神经元内蛋白的异常聚集被公认为引发神经退行性疾病，特别是肌萎缩性侧索硬化症（ALS）的一类典型原因。ALS的发病机制中，FUS蛋白和TDP-43蛋白的病理性聚集扮演着关键角色⁴。

FUS蛋白是一种多功能的DNA/RNA结合蛋白，通常在细胞核内调控转录过程。其内在的无序区域（IDR）在体外及细胞环境中均能促进液液相分离，形成动态的液滴结构。然而，在疾病状态下，FUS的突变会导致其发生异常的蛋白相变，这些液滴更易固化成不可逆的纤维状沉淀，这一过程加速了ALS的发病进程⁵。

与FUS蛋白相似，TDP-43蛋白在接近生理浓度的条件下也会经历液液相分离。在ALS及ALS-FTD（额颞叶痴呆）谱系疾病中，TDP-43的异常聚集并错误定位于细胞质内，这一病理现象在超过95%的ALS患者中被观察到。绝大多数与ALS/FTD相关的TDP-43突变都存在于IDR中⁶。这些突变可能导致TDP-43的正常液液相分离功能失调，并可能促进毒性聚集体的形成⁷（图4），导致原本充满活力的运动神经元丧失正常功能，最终走向凋亡，从而失去了对肌肉的控制能力。

图4 FUS和TDP-43蛋白在健康和疾病大脑中的变化

除了对个体的运动能力构成影响外，异常相分离现象还显著地影响记忆功能。特别是在阿尔茨海默症（AD）的研究中，与微管密切相关的Tau蛋白在大脑的关键记忆区域，如大脑皮层和海马体，发生了异常聚集。海马体作为大脑中负责记忆编码、存储与空间导航的核心结构，其健康状况直接关系到记忆功能的完整性。

研究揭示，相分离可能是Tau蛋白病理性聚集的起始环节。Tau蛋白原本在细胞内以液液相分离的形式存在，形成动态的Tau蛋白液滴，这一过程受到Tau蛋白的定位、磷酸化水平等多种因素的调控。然而，在病理状态，例如携带疾病相关遗传突变的情况下，这些液滴经历了一个从液态到黏稠凝胶态的转变，最终形成了具有淀粉样纤维特性的蛋白质沉积⁸。图5展示了Tau蛋白状态变化的过程。

这些淀粉样沉积物特异性地累积在与记忆紧密相关的区域，导致患者的记忆能力和认知能力逐渐衰退。Tau蛋白从LLPS到病理性纤维化的转变，不仅揭示了Tau蛋白聚集机制的复杂性，也为我们探索AD等神经退行性疾病的发病机制提供了宝贵的线索。

图5 阿尔茨海默症中Tau蛋白状态变化

由于神经退行性疾病的病理机制错综复杂，单一针对蛋白或核酸的治疗策略往往难以产生显著的临床效果。然而，随着科学界对相分离在这些疾病病理过程中关键作用理解的加深，靶向相分离的药物研发策略正逐渐崭露头角，展现出巨大的潜力。

当前，靶向相分离的药物研发聚焦于以下几个关键方向：

1. 溶解异常的相分离液滴：筛选小分子或小分子药物选择性地溶解、破坏异常相分离产生的RNA液滴，或者蛋白凝聚体。

2. 靶向相分离上游调控机制：探索并靶向那些调控相分离过程的上游信号通路或分子，间接影响相分离的平衡状态，防止其向病理方向发展。

3. 改变相分离蛋白的构象：利用小分子化合物精确调控突变蛋白质的构象，抑制其形成异常相分离结构，恢复或稳定其正常功能状态。这一策略旨在从分子层面干预疾病的进展⁹。

4. 激活蛋白降解途径：利用细胞自身的降解机制，开发能够特异性激活蛋白降解途径的小分子药物，直接清除由异常相分离产生的有害蛋白聚集体，恢复细胞健康状态。

相分离在神经退行性疾病中的作用日益受到重视，尽管其背后的复杂调控机制尚未完全揭示，但已成为探索这些重大疾病致病机理的新窗口和潜在的治疗靶点。这一领域的突破不仅为药物研发开辟了新的方向，也为神经退行性疾病的治疗带来了前所未有的希望，预示着未来可能实现的突破性进展。