精胺调控阿尔茨海默病Tau蛋白与帕金森病α-突触核蛋白相分离的机制及其神经保护作用研究

《Nature Communications》：Spermine modulation of Alzheimer’s Tau and Parkinson’s α-synuclein: implications for biomolecular condensation and neurodegeneration

　　本研究针对神经退行性疾病中淀粉样蛋白异常聚集的难题，深入探讨了内源性多胺精胺（spermine）如何通过调控Tau和α-突触核蛋白（α-synuclein, αS）的液-液相分离（LLPS）行为，影响其聚集路径和细胞降解过程。研究人员综合运用时间分辨小角X射线散射（TR-SAXS）、核磁共振（NMR）、粗粒化分子动力学模拟及线虫模型等多种技术，发现精胺作为一种“分子胶水”，能够通过静电相互作用促进蛋白质形成动态、液态的凝聚体，而非固态纤维；这些液态凝聚体具有更高的流动性，更容易被自噬途径识别和降解，从而在阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（PD）的线虫模型中显著延长寿命、改善运动缺陷并恢复线粒体功能。该研究揭示了精胺在维持蛋白质稳态中的新机制，为开发基于相分离调控的神经退行性疾病治疗策略提供了重要理论依据。

　　

随着全球人口老龄化加剧，阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）和帕金森病（Parkinson's disease, PD）等神经退行性疾病的发病率持续上升。这类疾病的一个共同特征是大脑中特定淀粉样蛋白的异常聚集和沉积——AD中以Tau蛋白形成的神经纤维缠结为代表，PD中则以α-突触核蛋白（α-synuclein, αS）构成的路易体为核心病理标志。除了蛋白聚集，表观遗传改变、基因组不稳定性、氧化应激、神经炎症、线粒体功能障碍以及自噬系统缺陷等多种因素也共同参与了疾病的复杂病理过程。因此，全面理解能够抑制淀粉样蛋白沉积并与生物分子相互作用的内源性物质，对于开发抗衰老及神经退行性疾病治疗方法至关重要。

在众多内源性分子中，多胺家族成员，尤其是精胺（spermine），因其在生物分子凝聚、细胞进程调控以及衰老、神经退行性疾病中的作用而备受关注。精胺已被报道能够对抗年龄相关的记忆衰退，并减轻αS诱导的神经毒性。此外，精胺及其前体亚精胺（spermidine）均被证实可以诱导自噬（autophagy）——这一细胞自我清理过程通过降解受损细胞器和有毒蛋白聚集体，在维持蛋白质稳态（proteostasis）和抵御神经退行中发挥关键作用。然而，精胺影响淀粉样蛋白聚集和降解的具体分子机制尚不完全清楚。

近年来，生物分子凝聚体（biomolecular condensates），尤其是通过液-液相分离（liquid-liquid phase separation, LLPS）形成的凝聚体，被认为是细胞组织和功能调控的核心参与者。蛋白质相分离可能在自噬的多个步骤中扮演重要角色，包括自噬体（autophagosome）形成位点的组装、自噬受体p62凝聚体介导的货物识别等。这些动态的、液态或凝胶态的蛋白质凝聚体，与不溶性的固态聚集体有本质区别。研究人员推测，相较于固态纤维，液态凝聚体更能适应自噬体形成和扩张等动态细胞过程，其流动性允许生物分子在特定细胞区域浓缩，便于关键功能的执行。像精胺这样带正电荷的小分子，有可能作为“分子胶水”，通过调节Tau和αS等淀粉样蛋白之间的相互作用，影响其相分离行为，进而调控细胞的降解通路。

发表在《Nature Communications》上的这项研究，旨在探索精胺作为分子胶水，调控Tau和αS的构象、相分离及其最终降解途径的潜力。研究团队从原子水平的相互作用、介观尺度的LLPS行为，到线虫模型中的功能表现，进行了一系列深入探究。

为了开展这项研究，作者们运用了多种关键技术方法。研究使用了重组表达的全长人源Tau441（2N4R）、其核心片段K18以及全长人源αS蛋白。体外相分离实验通过在不同浓度聚乙二醇（PEG）模拟分子拥挤环境下，观察蛋白质与精胺共孵育后的液滴形成。蛋白质构象变化通过时间分辨小角X射线散射（TR-SAXS）和核磁共振（NMR）光谱进行监测，后者使用了¹⁵N标记的蛋白质。粗粒化（Coarse-grained, CG）分子动力学模拟被用来研究精胺与蛋白质在残基水平的相互作用及其对相分离的影响。体内功能研究则利用转基因秀丽隐杆线虫（C. elegans）模型进行，包括表达αS-YFP的NL5901株（PD模型）、表达Tau352片段的VH255株和表达K18 DK280片段的BR5270株（AD模型），通过显微成像、荧光恢复 after photobleaching (FRAP)、寿命分析、行为学评估以及线粒体功能（活性氧ROS和钙离子浓度）检测来评估精胺的效应。此外，还通过RNA干扰（RNAi）技术敲低线虫中精胺合成相关基因（sms, smd）以及自噬相关基因（atg-10, lgg-1/lc3, lam-1/lamp），以探究内源精胺和自噬通路的作用。

研究结果

精胺介导全长Tau和αS的体外相分离

研究人员首先在体外探究了精胺对Tau和αS相分离的影响。在分子拥挤剂PEG存在下，精胺能够诱导全长Tau和αS形成液滴，但对其核心片段K18的相分离行为影响不大。相图分析表明，增加分子拥挤程度降低了精胺诱导Tau和αS相分离所需的临界浓度。通过FRAP实验发现，精胺显著增加了Tau和αS液滴内部的荧光恢复率，表明精胺提高了凝聚体的流动性。使用相分离抑制剂1,6-己二醇（1,6-hexanediol）处理发现，虽然精胺主要通过静电相互作用促进液滴形成，但疏水相互作用仍然重要。硫黄素T（ThT）动力学实验进一步证明，精胺以剂量依赖的方式抑制了Tau和αS的纤维化。

精胺作用下Tau和αS的全局和局部构象

TR-SAXS结果显示，精胺引起Tau和αS的全局构象发生显著变化。Tau在加入精胺后迅速压缩，随后扩展成一种更球状的构象，而αS则表现出持续且平稳的尺寸增加，未出现初始塌陷。NMR光谱分析揭示了精胺与Tau相互作用的残基特异性：精胺主要与Tau带负电的N端和C端区域发生静电相互作用，效应分布较广。相比之下，先前的研究表明精胺与αS的相互作用更集中于其酸性的C末端尾部（CTT）。这些差异为两者不同的相分离行为提供了分子基础。

精胺介导的Tau和αS构象变化遵循不同的相互作用模式

粗粒化分子动力学模拟进一步阐明了精胺的作用机制。模拟显示，精胺诱导了αS和Tau的扩张。对于αS，精胺特异性地与其CTT结合，中和其负电荷，从而减少了CTT与蛋白其他部分（如N端结构域NTD和疏水核心NAC区）的分子内吸引，使分子伸展，这反而增强了NTD与NAC区之间的分子间相互作用，促进了相分离。而对于Tau，精胺的作用更为泛化，通过中和整个序列中的负电荷，减少了分子内静电吸引，导致分子扩张，同时减弱了分子间静电排斥，从而有利于相分离。模拟还再现了精胺促进αS和Tau相分离的现象，并显示了不同蛋白质-精胺比例对凝聚体密度的影响。

精胺诱导的相分离通过自噬途径促进αS降解

在线虫PD模型（NL5901）中，研究发现衰老导致αS凝聚体沉积增加，而精胺处理显著减少了这种积累。FRAP分析显示，精胺处理的线虫体内αS凝聚体即使在成年后期（第15天）仍保持液态特性和高流动性，而对照组凝聚体则逐渐转变为固态。通过RNAi敲低内源性精胺合成酶（SMS, SMD）基因，导致αS凝聚体沉积加剧，而外源性补充精胺可以逆转这一现象，表明精胺在αS降解中起关键作用。进一步通过RNAi敲低自噬相关基因发现，精胺介导的αS凝聚体清除依赖于自噬通路，特别是自噬体形成和扩张相关的蛋白（如ATG10, LC3），而非后期与溶酶体融合相关的蛋白（如LAMP）。

精胺延长AD和PD线虫模型的寿命并改善其健康状况

在AD（VH255, BR5270）和PD（NL5901）线虫模型中，精胺处理以剂量依赖的方式显著延长了线虫的寿命。同时，精胺改善了衰老过程中的运动能力（弯曲频率和头部摆动频率）。此外，精胺还挽救了由Tau和αS表达引起的线粒体功能障碍，表现为降低活性氧（ROS）水平和线粒体钙离子浓度。

研究结论与意义

本研究系统阐明了内源性多胺精胺通过调控关键淀粉样蛋白Tau和αS的相分离行为，影响其细胞命运和神经毒性的新机制。研究揭示，精胺作为一种多价阳离子“分子胶水”，通过静电相互作用特异性地与Tau和αS结合，促进其形成动态、液态的凝聚体，而非病理性的固态纤维聚集体。这些液态凝聚体具有更高的分子流动性，使其更容易被细胞自噬系统识别和降解，特别是通过促进自噬体的扩张。在线虫疾病模型中，精胺的这种作用最终转化为延长寿命、改善运动功能和恢复线粒体健康的积极表型。

该研究的创新之处在于将精胺的功能从传统的诱导自噬，延伸到了精细调控淀粉样蛋白的相分离状态这一前沿领域。它揭示了蛋白质凝聚体的物理状态（液态vs固态）对其降解效率和病理后果的关键影响，提出了“液态凝聚体更易被自噬清除”的重要假设。这不仅深化了对神经退行性疾病发病机制的理解，更重要的是，为开发以“稳定液态相、抑制固态纤维化”为策略的新型治疗药物（例如设计模拟精胺功能的小分子）提供了坚实的理论基础和潜在的干预靶点。通过靶向相分离这一早期事件，或许能够为阿尔茨海默病、帕金森病等目前缺乏有效治疗手段的疾病开辟新的治疗路径。