全长FUS蛋白凝聚物呈现出具有结构域优先性的空间构象

《Aggregate》：Full-Length FUS Protein Condensates Adopt a Domain-Preferential Spatial Architecture

　　生物大分子凝聚体形成机制研究，以FUS蛋白为模型，揭示LCD域驱动凝聚体形成并富集于内层，RRM域参与RNA结合并分布在内层与界面层交界处，多价相互作用（如arginine-tyrosine π-π作用）和氨基酸疏水性共同调控空间结构，阐明序列-结构-功能关联。

　　生物分子凝聚体是细胞内一种特殊的亚细胞结构，它们通过液-液相分离（LLPS）形成，并在多种细胞生理过程中发挥关键作用。这些凝聚体不仅影响染色质压缩、转录调控、细胞信号传导和免疫系统等功能，还与神经退行性疾病和癌症等病理状态密切相关。尽管已有大量研究揭示了凝聚体的形成机制，但其内部结构组织和功能关系仍存在许多未解之谜。本文以FUS蛋白为研究模型，系统分析了其序列如何影响凝聚体的结构特征和功能表现，为理解蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）的全新模式提供了重要线索。

FUS蛋白属于FET蛋白家族，主要参与RNA代谢相关过程。它包含多个功能域，如低复杂度域（LCD）、RNA识别模体（RRM）以及富含精氨酸的RGG域等。LCD通常富含重复性氨基酸，被认为是凝聚体形成的驱动因素，而RRM则负责RNA识别和结合。由于这些功能域具有不同的氨基酸组成和结构特征，它们在凝聚体中的分布也呈现出一定的偏好性。例如，LCD倾向于定位在凝聚体的内层，而RRM则更常见于外层。这种分布模式不仅反映了蛋白质序列对凝聚体形成的影响，也揭示了其结构与功能之间的直接联系。

在本研究中，我们采用了一种基于粗粒化模型的计算方法，模拟了FUS蛋白在不同浓度下的凝聚体形成过程。通过分析不同规模的凝聚体，我们发现其内部存在明显的分层结构，这种结构与蛋白质的物理化学特性密切相关。内层的密度较高，而外层则相对较低。这种密度差异与微极性调节机制有关，类似于传统相分离模型中界面张力的作用。同时，我们还发现，不同功能域在凝聚体中的分布并非随机，而是受到其氨基酸组成的影响。例如，富含疏水性残基的LCD倾向于聚集在内层，而富含亲水性残基的RRM则更倾向于分布在凝聚体的外层。这种分布模式有助于提高RNA结合的可及性，从而优化RNA识别效率。

为了进一步验证这些发现，我们对FUS蛋白的相互作用模式进行了详细分析。通过构建接触图，我们观察到在凝聚体中，不同功能域之间存在较强的相互作用，尤其是LCD与RGG域之间的相互作用尤为显著。这种相互作用模式与已知的阳离子-π相互作用机制相吻合，说明FUS蛋白的凝聚体形成依赖于多个“粘附点”（stickers）之间的协同作用。在自由状态下，FUS蛋白的结构较为紧凑，而进入凝聚体后，其构象发生变化，表现出更长的伸展性。这种构象变化可能与凝聚体内部的微环境有关，例如疏水性和亲水性区域的分布，以及不同功能域之间的相互作用强度。

此外，我们还发现，FUS蛋白在凝聚体中的构象变化不仅影响其内部结构，还对其功能表现产生深远影响。例如，凝聚体中的LCD和RGG域协同作用，增强了相分离的驱动力，而RRM域则因较低的相互作用强度而被定位在外层。这种分布模式不仅优化了RNA识别的效率，还可能影响凝聚体的整体稳定性。我们进一步分析了不同规模的凝聚体，发现无论凝聚体的大小如何，其内部结构和功能域分布模式都保持一致，这表明我们的研究结果具有一定的普适性。

通过本研究，我们提出了一个“序列-结构-功能”三位一体的模型，用于解释生物分子凝聚体的形成机制。这一模型强调了蛋白质序列如何通过多域协同作用，引导凝聚体的结构形成，并最终影响其生物学功能。LCD作为主要的相分离驱动因子，其在内层的分布有助于形成稳定的凝聚体核心，而RRM在界面层的分布则提高了其与RNA的结合能力。这种结构上的分布模式不仅反映了蛋白质的内在特性，还可能成为设计靶向异常凝聚体的治疗方法的重要依据。

我们的研究结果还揭示了生物分子凝聚体在进化过程中的适应性。FUS蛋白中，不同功能域的氨基酸组成经过长期演化，形成了特定的相互作用模式，从而增强了其在凝聚体中的功能表现。这种模式不仅适用于FUS蛋白，也可能存在于其他具有多域结构的蛋白质中。通过进一步研究不同蛋白质的凝聚体形成机制，我们或许能够发现更多关于蛋白质-蛋白质相互作用的新规律，从而为相关疾病的治疗提供新的思路。

总之，本研究通过系统分析FUS蛋白在凝聚体中的结构和功能特性，揭示了蛋白质序列如何通过多域协同作用，引导凝聚体的形成及其功能表现。这些发现不仅深化了我们对生物分子凝聚体的理解，也为探索新的蛋白质相互作用模式提供了理论基础。未来的研究可以进一步结合RNA等其他分子，验证这些发现是否适用于更广泛的凝聚体系统。同时，这些结果也可能为开发针对异常凝聚体的治疗方法提供重要的参考价值。