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本研究揭示了TDP-43在应激颗粒(SGs)内发生"相内分相"(intra-condensate demixing)导致病理聚集的关键机制。研究人员通过多尺度实验发现，TDP-43在SGs中的浓度阈值突破和氧化应激共同触发RRM1结构域局部解折叠及C端疏水区(HP)相互作用，形成动态TDP-43富集相并最终转化为不可逆聚集体。该发现为ALS/FTD等TDP-43蛋白病变提供了新的治疗策略，证实了生物分子凝聚体作为蛋白质聚集"熔炉"的普适性机制。
在神经退行性疾病研究领域，TAR DNA结合蛋白43(TDP-43)的细胞质聚集是肌萎缩侧索硬化症(ALS)和额颞叶痴呆(FTD)等疾病的标志性病理特征。尽管已知TDP-43的C端结构域(CTD)会发生α螺旋到β折叠的构象转变，但细胞内触发这一病理过程的具体机制仍存在争议。特别令人困惑的是，体外实验显示TDP-43在孤立状态下可溶，而在细胞内却能形成稳定的聚集体。这种矛盾现象提示我们，细胞内可能存在特定的"熔炉"环境促进TDP-43的异常聚集。
马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的Xiao Yan、David Kuster等研究人员在《Cell》发表的重要研究，揭示了应激颗粒(SGs)作为这种"熔炉"的关键作用。他们发现TDP-43在SGs内经历独特的"相内分相"过程，最终形成具有病理特征的聚集体。这一发现不仅解决了关于SGs在TDP-43聚集过程中作用的长期争议，还为开发新型治疗策略提供了分子靶点。
研究人员采用了多学科交叉的研究方法：通过活细胞成像和STED超分辨显微镜观察TDP-43ΔNLS在HeLa细胞和iPS来源运动神经元中的动态行为；利用重组G3BP1-RNA系统体外重构应激颗粒；运用全原子和粗粒度分子动力学模拟揭示分子相互作用机制；在ALS小鼠模型(rNLS8)和患者脑组织中进行病理验证。
研究首先在细胞水平观察到三种不同的TDP-43行为模式：低表达细胞中TDP-43均匀分布于SGs；高表达细胞形成SGs非依赖的聚集体；而中等表达细胞则显示出独特的"相内分相"现象——TDP-43先在SGs内均匀分布，随后形成排斥G3BP1的独立相，最终迁移至SGs外围。这种相内分相过程伴随着TDP-43浓度从约0.5μM升至1.0μM的阈值突破，且形成的聚集体具有磷酸化、泛素化等病理特征，并能募集核内TDP-43。
体外重构实验证实，G3BP1-RNA形成的多组分凝聚体同样能诱导TDP-43相内分相。最初均匀混合的TDP-43随时间推移形成独立的TDP-43富集相，该相逐渐发生液-固转变，表现出动态性降低、淀粉样染料结合增加等聚集特征。值得注意的是，这一过程需要双重触发条件：SGs对TDP-43的"上浓缩"(up-concentration)和氧化应激。嘌呤霉素诱导的SGs不引起分相，而砷酸盐等氧化剂则显著加速该过程。
分子机制研究发现，相内分相由两个关键事件驱动：RRM1结构域局部解折叠导致半胱氨酸173/175(C173/C175)暴露并形成分子间二硫键；CTD中疏水区(HP)相互作用增强。分子模拟显示，在凝聚相中RRM1的β4-β5区域构象波动显著，而HP区则维持稳定的α螺旋结构。实验证实，破坏二硫键形成(C173V/C175V突变)或删除HP区(ΔHP)都能抑制相内分相，而ALS相关突变M337V则增强这一过程。
工程化改造的TDP-43变体C175V/ΔHP在细胞模型中完全阻断了病理聚集体的形成。更重要的是，在iPS来源的运动神经元、rNLS8 ALS小鼠模型以及散发性ALS/FTD患者脑组织中，研究人员都观察到了TDP-43在SGs内的相内分相现象。患者样本中约19-26%的神经元显示出这种病理特征，证实了其临床相关性。
这项研究确立了"相内分相"作为TDP-43病理聚集的核心机制：SGs通过局部浓缩TDP-43超越临界阈值，氧化应激则促进分子间相互作用，共同驱动TDP-43形成独立相并最终转化为稳定聚集体。这一发现不仅解释了为何TDP-43在生理浓度下也能形成聚集体，还为干预神经退行性疾病提供了新思路——针对相内分相过程而非最终聚集体的治疗策略可能更有效。研究提出的"浓缩-氧化"双重触发机制也可能适用于其他蛋白质聚集疾病，为理解生物分子凝聚体与病理过程的关系开辟了新视角。
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