撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

含有內(nèi)在無序區(qū)（intrinsically disordered region，IDR）的蛋白質(zhì)的濃度必須受到嚴(yán)格控制，以維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)。然而，我們對于這些傾向于聚集在無膜凝聚體中的蛋白質(zhì)的集體控制機制了解，還遠(yuǎn)不如對通過膜結(jié)合細(xì)胞器介導(dǎo)的通路那樣透徹。

近日，弗朗西斯·克里克研究所、倫敦國王學(xué)院的研究人員在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Collective homeostasis of condensation-prone proteins via their mRNAs 的研究論文。

該研究揭示了細(xì)胞核內(nèi)的一個復(fù)雜而又精妙的內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)控機制——interstasis，該機制協(xié)調(diào)了細(xì)胞中的易通過相分離形成生物分子凝聚體的蛋白質(zhì)的表達(dá)，當(dāng)這類蛋白質(zhì)濃度過高時，會觸發(fā)其自身 mRNA 被“捕獲”并隔離在核斑（nuclear speckles）中，從而阻止其進(jìn)一步翻譯成更多蛋白質(zhì)，最終降低該蛋白質(zhì)濃度，而當(dāng)該蛋白質(zhì)濃度下降后，負(fù)反回路環(huán)關(guān)閉，該研究還進(jìn)一步揭示了該回路的調(diào)控開關(guān)。這一負(fù)反饋回路為核斑的功能增添了新維度，強調(diào)了 RNA 序列特征與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域架構(gòu)在細(xì)胞調(diào)控中的相互作用。

在多個真核生物物種中的適應(yīng)性篩選表明，當(dāng)劑量增加時，含有內(nèi)在無序區(qū)（intrinsically disordered region，IDR）的蛋白質(zhì)更有可能具有毒性。在酵母中，由單個含 IDR 蛋白質(zhì)的劑量增加所誘導(dǎo)的毒性，已被認(rèn)為與這些蛋白易于相分離并形成生物分子凝聚體的傾向有關(guān)。

易發(fā)生相分離的蛋白質(zhì)在蛋白質(zhì)與 RNA 的豐度之間存在最大的不匹配，這表明轉(zhuǎn)錄后機制對蛋白質(zhì)豐度有著強烈的影響。許多蛋白質(zhì)能夠與自身基因的 RNA 或 DNA 相互作用，然而目前尚無已知的傳感器或效應(yīng)器能夠調(diào)節(jié)易凝聚蛋白質(zhì)的集體表達(dá)。

蛋白質(zhì)的共凝聚在一定程度上取決于其內(nèi)在無序區(qū)（IDR）中短基序的分子語法以及生物物理性質(zhì)相似的氨基酸。許多 IDR 包含重復(fù)的氨基酸排列，因此被歸類為低復(fù)雜度結(jié)構(gòu)域（LCD）。 一類 LCD 是 R-MCD，其中精氨酸與其他帶正電荷和負(fù)電荷的氨基酸交錯分布。R-MCD 能夠促進(jìn)蛋白質(zhì)定位到核斑（nuclear speckles）中。

研究表明，人工 R-MCD 的顯著過表達(dá)會增強核斑的內(nèi)聚性，從而導(dǎo)致所有多聚腺苷酸化 mRNA（polyadenylated mRNA）被滯留在核斑內(nèi)。這一現(xiàn)象突顯了對這類蛋白質(zhì)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)協(xié)同調(diào)控的重要性。

該研究發(fā)現(xiàn)了一種復(fù)雜而又精妙的細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)控機制——interstasis，這是一種集體性的負(fù)反饋細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)機制，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)由 RNA 和蛋白質(zhì)形成的無膜凝聚體（例如核斑） 中的特定蛋白質(zhì)濃度過高時，會觸發(fā)其自身 mRNA 被“捕獲”并隔離在該凝聚體中，從而阻止其被翻譯成更多蛋白質(zhì)，最終降低該蛋白質(zhì)的濃度。

核斑（Nuclear Speckles）是一種典型的生物分子凝聚體，當(dāng)富含精氨酸的混合電荷結(jié)構(gòu)域（R-MCD） 的蛋白質(zhì)過多時，它們會使核斑的內(nèi)聚性（cohesion） 過強，變得“過粘”。這種物理狀態(tài)的改變充當(dāng)了“傳感器”，檢測到蛋白質(zhì)濃度過高的信號。這種“過粘”的核斑會開始選擇性捕獲那些編碼凝聚傾向蛋白的 mRNA。

這種選擇性基于遺傳密碼的結(jié)構(gòu)和保守的密碼子使用偏好，例如，編碼 R-MCD 的 mRNA 通常自身也富含嘌呤（AG-rich）的重復(fù)序列，形成多價區(qū)域。這種相似的 RNA 結(jié)構(gòu)使得它們能被同樣聚集在核斑中的特異性 RNA 結(jié)合蛋白（例如 TRA2 蛋白） 識別和結(jié)合。被捕獲的 mRNA 被滯留在核斑內(nèi)部，無法進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)被核糖體翻譯，從而導(dǎo)致相應(yīng)的蛋白質(zhì)合成減少、濃度下降。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)濃度下降后，核斑的內(nèi)聚性恢復(fù)正常，負(fù)反饋回路關(guān)閉。

研究團隊進(jìn)一步揭示了 interstasis 的調(diào)控開關(guān)——CLK 激酶通過對TRA2蛋白進(jìn)行磷酸化修飾，可以阻止其定位到核斑中。這意味著磷酸化作用會抑制 interstasis，使反饋循環(huán)無法啟動。這為細(xì)胞提供了一個精細(xì)調(diào)控這個機制的“開關(guān)”。

這些發(fā)現(xiàn)解決了一個關(guān)鍵問題——解釋了細(xì)胞如何集體協(xié)調(diào)（collective control）一系列具有高度劑量敏感性的、易凝聚蛋白質(zhì)的表達(dá)，防止它們因過表達(dá)而引發(fā)相分離失控、形成有毒聚集體，從而導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂或疾?。ɡ缟窠?jīng)退行性疾?。?。這些發(fā)現(xiàn)也揭示了全新的調(diào)控維度—— 將蛋白質(zhì)的生化特性（相分離能力）、mRNA 的序列特征（密碼子偏好）和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的物理狀態(tài)（凝聚體粘度）巧妙地聯(lián)系了起來，形成了一種超越傳統(tǒng)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的快速響應(yīng)機制。

總的來說，Interstasis是一個極其聰明的細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)控機制——細(xì)胞利用凝聚體本身作為傳感器，通過其物理狀態(tài)的變化，直接招募并沉默那些一旦過多就會“搗亂”的蛋白質(zhì)的 mRNA，從而實現(xiàn)集體的自我穩(wěn)態(tài)維持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09568-w