近年来，液-液相分离（LLPS）所形成的生物大分子凝聚体（biomolecular condensates）被广泛认为在调控细胞信号、应激响应和基因表达等过程中发挥着核心作用。然而，LLPS异常也与多种重大疾病密切相关，如神经退行性疾病、肿瘤等，因此对这些凝聚体进行药理调控成为新的治疗方向。然而，真正做到“小分子精准调控”仍面临诸多挑战，尤其是对于富含内在无序结构（IDR）的RNA结合蛋白（RBP），因其缺乏良好的小分子结合位点和结构刚性，难以通过传统策略实现“可成药性”。
近日，来自剑桥大学的Gonçalo J. L. Bernardes研究团队在Journal of the American Chemical Society 上发表研究论文，提出并验证了一种“电荷驱动”的小分子调控策略，通过共价方式修饰蛋白的折叠结构域 (Folded Domain) 表面电荷，通过改变折叠结构域-IDR相互作用间接调控其IDR区的构象动态，实现对相分离行为的精准干预。该工作不仅提出了一种凝聚体调控的新思路，也为直接靶向“不可成药”蛋白提供了新的化学工具。文章第一作者为剑桥大学化学系博士生陈哲伟。
图1. “电荷驱动”的小分子调控策略。图片来源：JACS
从“电荷干扰”出发：重新定义小分子调控路径
作者选择应激颗粒（Stress Granules）核心组分G3BP1作为研究模型，该蛋白可在应激条件下形成LLPS驱动的凝聚体，并通过IDR3与IDR1之间的电荷-电荷作用决定“开放-闭合”构象转换，从而调控应激颗粒的形成。研究者提出，若通过在G3BP1结构域表面特定位点引入负电荷，则有望稳定其“闭合”构象，从而抑制其参与凝聚体形成。
图2. 含CAA基团的小分子探针。图片来源：JACS
为此，研究团队合成了一类含碳丙烯酰胺（carbonylacrylic amide, CAA）基团的小分子探针，可共价修饰G3BP1的Cys73残基。他们在敲除G3BP1的HeLa细胞中表达突变版G3BP1（C73A）进行对比实验证明，只有具备该位点时，甲基酯类CAA分子（如CAA-AA）才可有效抑制应激颗粒（SG）形成，说明其作用机制为位点选择性、结构域驱动、电荷调控。
图3. 应激颗粒形成被CAA抑制。图片来源：JACS
多维验证：从结构-功能-机制全面阐释
为了系统验证该策略的有效性，研究者开展了一系列功能和机制实验。显微成像结果表明，多个CAA衍生物在HeLa细胞中显著抑制NaAsO2诱导的SG形成，且不同结构对活性影响显著。细胞功能实验结果表明，在氧化应激模型中（H2O2处理），处理后细胞对应激变得更敏感，表明SG功能受损。突变与敲低实验结果表明，C73A突变显著减弱CAA-AA抑制能力，而对不含甲基脂基团的CAA衍生物无效，进一步敲除G3BP2也未改变这一趋势，表明CAA-AA通过修饰G3BP1抑制应激颗粒形成。
图4. CAA作用的结构-功能-机制阐释。图片来源：JACS
研究者进一步探索了分子机制，合成多种不同酯结构的CAA衍生物，发现酯基易水解性与调控效果密切相关 (CAA-AAR与CAA-Asp2R难以水解)，提示其可能通过在细胞内释放负电荷基团，改变蛋白的IDR构象动态。同时，通过化学交联（BS3）和免疫印迹，研究者排除了该类小分子通过破坏G3BP1二聚化的可能性，支持其主要通过调控IDR构象而非解聚蛋白复合物来发挥作用。
图5 CAA衍生物的分子机制探索。图片来源：JACS
模拟支持：蛋白更“紧凑”，凝聚更难成
为了进一步理解共价修饰后的结构变化，研究者使用粗粒度分子动力学模拟（coarse-grained MD）对G3BP1二聚体进行建模，发现经过CAA-AA修饰后，蛋白构象呈现出更紧凑的“闭合”状态。具体表现为：惯性半径（Rg）下降，表明IDR构象趋于收缩；收缩程度约可等价于26%的IDR1-IDR3接触数增长，支持电荷引导的构象变化机制。该模拟不仅为实验结果提供了理论支持，也验证了通过改变蛋白表面电荷即可调控其相分离能力的核心假设。
图6. 粗粒度分子动力学模拟。图片来源：JACS
总结与展望
该研究首次提出并验证了通过电荷驱动策略实现对相分离蛋白的共价调控，不依赖传统结合口袋，也无需直接“干预”内在无序区，而是通过结构域的修饰间接引导构象变化，最终实现功能抑制。
该策略特别适用于靶向一类长久以来被认为“难以成药”的IDR富集蛋白，在应激颗粒（SG）、神经颗粒、癌细胞凝聚体等广泛系统中都具有潜在应用价值，也为未来开发具更高选择性的小分子“凝聚体调控剂”提供了新范式。
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A Charge-Driven Strategy for Covalent Modification and Modulation of Biomolecular Condensates
Zhewei Chen, Lu Liu, Jerome Cattin, Tuomas P. J. Knowles, Gonçalo J. L. Bernardes*
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 28558–28563, DOI: 10.1021/jacs.5c06625
