ATP调控FUS蛋白相分离与聚集的分子机制及其在肌萎缩侧索硬化症发病中的作用

为解决肌萎缩侧索硬化症（ALS）中FUS蛋白异常聚集的病理机制问题，研究人员开展了ATP调控FUS液-液相分离（LLPS）和淀粉样纤维形成的研究。通过温度/压力扫描紫外光谱和分子动力学模拟，发现ATP通过其两亲性破坏FUS分子间相互作用，显著抑制病理性的高压LLPS（HP-LLPS）和不可逆聚集，尤其在ALS相关突变体（R495X/P525L）中效果更显著。该研究揭示了细胞内ATP水平下降可能加剧FUS相变，为ALS治疗提供了新靶点。

　　

在神经退行性疾病的研究中，肌萎缩侧索硬化症（ALS）因其快速进展和致命性备受关注。2009年，科学家发现RNA结合蛋白Fused in Sarcoma（FUS）的突变与家族性ALS直接相关。FUS是一种多功能蛋白，参与RNA剪接、运输和稳定性调控，其异常聚集会导致神经元功能紊乱。近年来，液-液相分离（Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS）现象被揭示为FUS功能凝聚体形成和病理聚集的关键机制。然而，细胞内的能量分子ATP如何调控这一过程尚不明确。更棘手的是，ALS相关FUS突变体（如R495X和P525L）表现出更强的聚集倾向，但具体机制和治疗策略亟待探索。

为回答这些问题，来自日本的研究团队在《Journal of Molecular Biology》发表了一项突破性研究。他们发现，作为细胞内的“分子防冻剂”，ATP能通过独特的双机制——三磷酸基团的静电作用和腺苷的疏水作用——协同破坏FUS的分子间相互作用。尤其令人振奋的是，生理浓度（1-12 mM）的ATP可显著抑制FUS的病理型高压LLPS（HP-LLPS），并阻断其向不可逆聚集的转变。这一发现不仅揭示了ALS发病的新机制，还为靶向ATP调控通路治疗神经退行性疾病提供了理论依据。

研究团队运用了多项关键技术：温度/压力扫描紫外光谱（UV-Vis）定量分析LLPS相变行为；高压显微镜观察HP-LLPS动态；分子动力学（MD）模拟解析ATP与FUS的相互作用；以及SDS-PAGE评估蛋白聚集抑制效果。其中，压力跳跃实验（Pressure-jump）首次揭示了ATP对HP-LLPS可逆性的调控作用。

主要研究结果

1. ATP对FUS LLPS的浓度依赖性抑制
   通过温度扫描实验发现，ATP以剂量依赖方式降低野生型（WT）和ALS突变体（R495X/P525L）的相分离临界点（cloud point），突变体敏感性更高（斜率增加）。20 mM ATP使WT临界点从24°C降至10°C，而相同浓度下R495X降低幅度达2倍。

2. ATP两亲性结构的协同作用机制
   对比ATP组分（三磷酸/腺苷/核糖）发现，三磷酸和腺苷混合物的抑制效果仅为ATP的60%，表明ATP分子结构的空间排布对破坏FUS相互作用至关重要。MD模拟显示，ATP同时与FUS的Arg/Lys（静电）和Phe/Trp（疏水）残基结合，这种“双靶点”作用是其高效性的关键。

3. ATP选择性抑制病理型HP-LLPS
   高压紫外光谱显示，ATP对HP-LLPS（>2 kbar）的抑制强度是常压LLPS（LP-LLPS）的2.3倍（0.28 vs 0.12 kbar/mM）。压力跳跃实验证实，1 mM ATP即可维持P525L在3.5 kbar下的可逆相变，而对照组出现不可逆聚集。

4. ALS突变体的构象脆弱性
   MD模拟揭示，P525L突变导致C端结构域（CTD）暴露，使原纤维核心（39-95位残基）更易发生分子间相互作用。这与R495X的截短效应类似，解释了突变体更高的聚集倾向。

5. 生理浓度ATP的长期保护作用
   36小时孵育实验表明，10 mM ATP使WT和P525L的可溶性蛋白含量分别提高3倍和4倍。值得注意的是，1 mM ATP（接近生理下限）已能显著延缓聚集进程。

结论与展望
这项研究首次系统阐明了ATP通过两亲性分子特性调控FUS相分离的分子机制，提出了“细胞内ATP水平下降→HP-LLPS稳定性破坏→FUS病理聚集”的ALS发病新假说。特别重要的是，研究发现ATP对ALS突变体的HP-LLPS具有选择性抑制作用，这为开发靶向病理相变的小分子药物提供了新思路。

研究的创新点在于：发现ATP三磷酸与腺苷基团的协同效应比简单加和强30%；揭示HP-LLPS作为“分子陷阱”在ALS发病中的核心地位；提出ATP类似物或代谢调节剂可能成为神经保护策略。未来研究需在神经元模型中验证ATP对FUS-RNA复合物的调控，并探索其他核苷酸（如GTP/ADP）的作用。此外，鉴于细胞内90% ATP以Mg²⁺结合态存在，ATP-Mg复合物对RNA依赖的相分离影响值得深入探究。

这项发表于《Journal of Molecular Biology》的工作，不仅为理解蛋白质相变与疾病的关系设立了新标杆，更开辟了通过调控细胞代谢稳态治疗神经退行性疾病的创新路径。