【原】【相分离】ALS相关相变中的小分子调控

——生物学背景——

ALS（amyotrophic lateral sclerosis ）肌萎缩侧索硬化症，又叫渐冻症，是一类神经退行性疾病，ALS病人会逐渐失去运动的能力，最终导致呼吸肌的衰竭而死亡。目前ALS的发病机制尚不明确，FDA批准的药物Riluzole （利鲁唑）和Edaravone （依达拉奉）（图一）对ALS的治疗效果也不理想。             

       图一：FDA批准的药物Riluzole （利鲁唑）和Edaravone （依达拉奉）

2015年Hyman课题组在Cell上^【1】发表文章（图二），“A liquid-to-solid phase transition of the ALS protein FUS accelerated by disease mutation”，发现Fus蛋白的突变能够加速ALS的发生。Fus蛋白（全称为fused in sarcoma/translocated in liposarcoma，FUS/TLS）是一个多功能的DNA/RNA结合蛋白，主要定位于细胞核，可以在细胞核/胞浆中穿梭，当受到应激压力时Fus蛋白会主要定位于胞浆中。Fus蛋白的无序区能够在体内/体外形成liquid droplets，即相分离。在诱导蛋白纤维化的条件中，突变蛋白的droplets更倾向于形成不可逆的纤维状沉淀，加速ALS的发生。

图二：ALS的发病与Fus蛋白的关系

——最新进展1——

2019年8月，Hyman基于之前的研究成果在bioRxiv发表文章^【2】，”Small molecules for modulating protein driven liquid-liquid phase separation in treating neurodegenerative disease”，他们从1600个FDA批准的药物库中，筛选到了可以减少Fus蛋白相分离的化合物。体内筛选得到Lipoamide，Surfactants和Hetertri-/tetra-cyclic这几类化合物（图三）。

图三：体内筛选的结果

随后，又用这几种化合物对Fus蛋白进行体外筛选，却发现Lipoamide，Surfactants并不能减少Fus蛋白的相分离，反而会增加其相分离（图四）。

图四：体外筛选的结果

作者随后继续进行体内的相关实验，在进一步的表征中，发现Lipoamide和Lipoic acid效果比Hetertri-/tetra-cyclic类化合物效果好。而且Dihydrolipoicacid也有很好的效果（图五）。

图五：不同类型Lipoamide和Lipoic acid的化合物的效果

虽然体外的筛选实验中Lipoamide让相分离增加了，但是在诱导蛋白纤维化的条件中，Lipoamide减缓了Fus蛋白的纤维化，在线虫实验中也有较好的效果（图六）。

图六：Lipoamide减缓蛋白的纤维化

——最新进展2——

随后不久，即在今年的9月份，又有了对ALS相关相变的文章发表。加利福尼亚大学的Gene Yeo教授在Neuron上发表“Small-molecule modulation of TDP-43 recruitment to stress granules prevents persistent TDP-43 accumulation in ALS/FTD”文章，对减缓stress granules形成的化合物进行了筛选，并对stress granules形成的机理进行了研究。

在初筛过程中筛选到了40个化合物（图七），有靶向离子通道的，细胞内信号通路的，代谢和氧化还原的以及炎症相关等等。作者对每类化合物进行分析后，认为这些化合物大部分都是通过影响stress granules上游或相关的代谢通路来进行调控的。作者认为这其中的平面分子和强心苷类化合物是直接靶向stress granules的。

图七：初筛后得到的40种化合物

随后作者对这初筛后的化合物做了进一步的研究，测试了化合物不同浓度，不同应激压力下的效果。发现这些化合物都是几个微摩尔级的抑制效果。作者推测，这些平面分子可能是插入到了stress granules的RNA中或者是蛋白的无序区中（图八）。

图八：对平面分子的进一步研究

最后作者提出了stress granules的形成机理的模型（图九），以及其与ALS的关系。在胞浆中，核糖体复合物受到应激压力会终止翻译过程，结合G3BP1等蛋白，形成stress granules的核，随后RNP结合到暴露的mRNA上，形成stress granules的外层，最后另外一些蛋白的IDR与RNP另一端的IDR相互作用，形成完整的stress granules，发生相变。作者推测他们筛选到的平面分子是插入到RNA中或者蛋白的无序区域来阻止stress granules生成的。

图九：stress granules的形成机理的模型

——总结——

利用化合物靶向相变体系来治疗ALS是一个不错的选择，但目前关于这方面的研究还较少，需要各位科研工作者的进一步努力。

参考文献：

【1】Patel, Avinash , et al. "A liquid-to-solid phase transition of the ALS protein FUS accelerated by disease mutation."Cell 162.5(2015):1066-1077.

【2】Wheeler, Richard J., et al. "Small molecules for modulating protein driven liquid-liquid phase separation in treating neurodegenerative disease." BioRxiv (2019): 721001.

【3】Fang, Mark Y., et al. "Small-molecule modulation of TDP-43 recruitment to stress granules prevents persistent TDP-43 accumulation in ALS/FTD." Neuron 103.5 (2019): 802-819.