2021年5月11日，中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉中心劉聰課題組與何凱雯課題組合作成果在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上在線發(fā)表，題為：Wild-type α-synuclein inherits the structure and exacerbated neuropathology of E46K mutant fibril strain by cross-seeding。該工作發(fā)現(xiàn)α-突觸核蛋白（α-synuclein, α-syn）的家族性突變E46K誘導其形成具有比野生型（wild-type, WT）纖維更強病理毒性的病理性纖維，導致小鼠出現(xiàn)早發(fā)性運動缺陷。更為重要的是，E46K纖維可以通過交叉接種（cross-seeding）的方式，誘導WT α-syn形成類似E46K的纖維結(jié)構(gòu)（hWTcs纖維），且hWTcs纖維可誘發(fā)小鼠表現(xiàn)出類似E46K纖維的病理特征和早發(fā)運動障礙。該工作為理解α-syn纖維形成的選擇性以及家族性帕金森?。╢amilial Parkinson’s disease, fPD）的致病機理提供了新的視角。
α-Syn病理性淀粉樣纖維聚集是帕金森?。≒arkinson’s disease, PD）的主要病理性標志。α-Syn病理性纖維的形成及其在細胞間的擴散與PD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。目前，在fPD中，研究者已發(fā)現(xiàn)八個α-syn的常染色體顯性遺傳突變位點。由α-syn不同點突變引起的fPD通常具備早發(fā)性且病程發(fā)展迅速等特點，但其致病機理尚不清楚。劉聰課題組前期工作發(fā)現(xiàn)α-syn不同位點的突變（如E46K，A53T等）能夠誘導α-syn形成結(jié)構(gòu)有別于WT的病理纖維。 然而，α-syn蛋白纖維結(jié)構(gòu)多態(tài)性與疾病高度異質(zhì)性之間的關(guān)聯(lián)是什么？α-Syn病理性纖維結(jié)構(gòu)多態(tài)性是如何被選擇性誘導產(chǎn)生的？早發(fā)性fPD中，雜合體病人體內(nèi)同時存在的突變型和野生型α-syn在病程發(fā)生發(fā)展中如何作用？這些都是領(lǐng)域內(nèi)尚未解決的重要科學問題。
在本工作中，研究者首先通過腦立體定位注射α-syn 病理性纖維構(gòu)建了PD小鼠模型，發(fā)現(xiàn)E46K纖維能夠引發(fā)小鼠早發(fā)性運動缺陷，且在小鼠腦內(nèi)引發(fā)內(nèi)源α-syn形成大量病理性聚集體。相比于WT α-syn纖維，E46K纖維誘導內(nèi)源性α-syn產(chǎn)生更多尺寸更小的聚集體且其多分布于神經(jīng)突而非胞體，該聚集體傳播到相連腦區(qū)如黑質(zhì)也更加高效，顯示出更強的流動性和細胞間傳播的能力。更有意思的是，研究者發(fā)現(xiàn)，在體外用E46K纖維作為種子能夠有效地誘導WT α-syn形成類似于E46K纖維結(jié)構(gòu)的纖維（圖1），且其同樣能在體內(nèi)引起類似E46K纖維的病理變化。
圖1 E46K纖維體外交叉接種 WT α-syn蛋白，形成與E46K纖維類似的結(jié)構(gòu)
研究者進一步從注射E46K纖維的PD小鼠腦內(nèi)提取出內(nèi)源誘導產(chǎn)生的α-syn纖維聚集體，并進行體外擴增。運用原子力顯微鏡表征發(fā)現(xiàn)E46K誘導小鼠內(nèi)源WT α-syn產(chǎn)生的纖維拷貝了E46K纖維的結(jié)構(gòu)特點。以上體內(nèi)外實驗結(jié)果均表明E46K纖維能夠通過cross-seeding作用把其病理構(gòu)象傳遞給WT α-syn，從而共同作用引起早發(fā)性PD。由于目前發(fā)現(xiàn)的包括E46K在內(nèi)的大部分α-syn的家族性突變均是雜合突變，故在病人體內(nèi)WT與突變型 α-syn蛋白共同存在。因此，本研究的發(fā)現(xiàn)有助于我們對fPD致病機理的全面理解（圖2）。
圖2 E46K家族遺傳性帕金森病病理機制假說示意圖
上述工作由中科院上海有機所生物與化學交叉研究中心劉聰研究員和何凱雯研究員為共同通訊作者，中科院上海有機所生物與化學交叉研究中心博士生龍厚芳和鄭瑋彤為共同第一作者。經(jīng)費支持主要來自國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金委和上海市科委等的資助。北京大學冷凍電鏡平臺提供了設(shè)施支持。
