综述：FUS生物分子凝聚体的荧光成像研究：从组装调控到病理转变

《Coordination Chemistry Reviews》：Fluorescence imaging of FUS biomolecular condensates: From assembly regulation to pathological transition

　　FUS蛋白液-液相分离（LLPS）机制及其在神经退行性疾病中的作用，荧光成像技术用于动态解析LLPS过程，揭示FUS凝聚体的形成、功能调控及病理转化规律，提出原位标记、生物传感器与AI分析的未来方向。

　　FUS蛋白是一种重要的RNA结合蛋白，其液-液相分离（LLPS）行为在细胞生理功能和神经退行性疾病的发生机制中起着关键作用。近年来，随着对细胞内生物大分子相分离现象的深入研究，FUS蛋白的相分离特性引起了广泛关注。这种现象指的是FUS蛋白在特定条件下能够通过弱多价相互作用形成液态的生物分子凝聚体，进而参与多种细胞活动，如基因表达调控、DNA损伤修复以及应激反应等。然而，FUS蛋白的相分离过程并非简单，它受到多种因素的调控，包括突变、翻译后修饰、RNA结合能力以及分子伴侣等。此外，当FUS蛋白发生异常时，其液-液相分离可能会转变为液-固相分离，从而形成不溶性的淀粉样纤维，成为神经退行性疾病如肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞叶痴呆（FTD）等病理特征的重要组成部分。

为了更深入地研究FUS蛋白的相分离行为，科学家们开发了一系列先进的研究方法，包括电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射以及核磁共振等。这些技术在静态条件下对FUS相分离的分析提供了重要支持，使研究者能够观察到凝聚体的大小、空间形态以及核心结构等信息。然而，它们在活细胞中的应用仍存在一定的局限性，尤其是在解析FUS相分离的动态过程方面。因此，荧光成像技术的引入为FUS相分离的研究带来了新的机遇。

荧光成像技术以其实时、动态和多通道“可视化”的优势，成为研究生物过程的重要工具。特别是随着超分辨率成像技术（如STED、STORM、SIM等）的不断进步，空间分辨率已经提升到20-50纳米甚至更高，这使得研究者能够在纳米尺度上观察到FUS凝聚体的细微行为。在FUS相分离的研究中，结合特定的荧光标记策略（如荧光蛋白融合和自标记标签技术）与先进的成像模式，能够直接捕捉FUS凝聚体的动态形成过程及其精细结构，同时揭示其中可能存在的亚结构异质性。这种技术手段不仅有助于系统阐明FUS相分离的调控机制，还能够帮助研究者理解其从正常生理状态向病理状态转变的关键过程。

在FUS相分离的研究中，荧光成像技术的应用涵盖了多个方面。首先，通过选择适当的荧光标记策略，研究人员可以实现对FUS蛋白的特异性标记，从而在活细胞中观察其动态行为。例如，荧光蛋白融合技术能够将荧光标签与FUS蛋白结合，使其在细胞内发光，从而实现对凝聚体的实时追踪。此外，自标记标签技术则允许在特定条件下对FUS蛋白进行后处理，使其在不破坏原有结构的前提下获得荧光信号。这些标记策略不仅提高了研究的准确性，还增强了对FUS蛋白在不同环境下的行为特征的理解。

其次，选择合适的成像平台也是研究FUS相分离的关键。目前，常用的成像平台包括共聚焦显微镜和超分辨率显微镜。共聚焦显微镜能够提供较高的分辨率和较深的穿透能力，适用于观察细胞内的FUS凝聚体。而超分辨率显微镜则能够突破传统光学显微镜的分辨率限制，实现对FUS凝聚体的纳米尺度观察。这些成像平台的结合使用，使研究者能够在不同时间尺度和空间尺度上对FUS相分离进行综合分析，从而揭示其动态调控机制。

在实际研究中，荧光成像技术已经被广泛应用于观察FUS凝聚体的形成、动态变化以及可能的亚结构异质性。例如，通过荧光标记技术，研究人员可以观察到FUS蛋白在细胞核内形成液态凝聚体的过程，并进一步研究其在不同刺激条件下的动态变化。此外，荧光成像技术还能够揭示FUS蛋白在细胞质中的行为，特别是在DNA损伤等情况下，FUS蛋白如何从细胞核转移到细胞质以发挥其功能。这些研究不仅加深了对FUS蛋白生物学功能的理解，还为开发针对相分离机制的诊断和治疗策略提供了理论支持。

尽管荧光成像技术在FUS相分离研究中取得了显著进展，但仍然面临一些挑战。首先，荧光标记的特异性问题仍然存在，如何在不干扰FUS蛋白原有功能的前提下实现对其相分离行为的准确标记，是一个需要解决的重要课题。其次，光毒性问题也是一大挑战，长时间的荧光成像可能会对细胞造成损伤，影响研究结果的准确性。此外，空间和时间分辨率的限制也是当前研究中的一大难题，如何在高分辨率下同时实现对FUS凝聚体的动态观察，仍需进一步优化。最后，如何在活细胞环境中整合多种调控因素，以更全面地研究FUS相分离的调控机制，也是一个重要的研究方向。

为了克服这些挑战，科学家们正在探索新的技术方向。例如，原位标记技术能够实现对FUS蛋白在特定环境下的标记，从而更真实地反映其相分离行为。此外，生物传感器的开发也为研究FUS相分离提供了新的手段，这些传感器能够实时监测FUS蛋白在细胞内的动态变化，并提供更精确的数据。与此同时，人工智能技术的应用正在逐渐改变生物成像的研究方式，通过机器学习和深度学习算法，研究人员能够从大量荧光成像数据中提取有价值的信息，从而更深入地理解FUS相分离的机制。

总之，FUS蛋白的相分离行为是一个复杂而动态的过程，涉及多种分子机制和调控因素。通过荧光成像技术，研究人员能够更全面地观察和分析这一过程，从而揭示其在细胞生理和病理中的作用。然而，为了进一步推动这一领域的研究，仍需克服标记特异性、光毒性、空间时间分辨率限制以及多因素整合等挑战。未来，随着原位标记、生物传感器和人工智能等新技术的发展，FUS相分离的研究将迎来新的突破，为相关疾病的诊断和治疗提供更坚实的理论基础和实践支持。