2021年9月9日,中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉中心劉聰課題組與武漢大學(xué)梁毅課題組合作在Science Advances上在線發(fā)表題為Genetic prion disease–related mutation E196K displays a novel amyloid fibril structure revealed by cryo-EM的研究成果。該工作利用冷凍電鏡技術(shù)解析了全長朊病毒蛋白家族遺傳病理性突變體E196K蛋白纖維的近原子分辨率結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)了E196K突變通過破壞野生型朊病毒蛋白病理纖維中的關(guān)鍵相互作用力,導(dǎo)致了纖維結(jié)構(gòu)的重排,進(jìn)一步揭示了不同朊病毒蛋白病理突變體聚集多態(tài)性的分子機(jī)制。
Prion疾病是一類由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)發(fā)生錯誤折疊,聚集形成致病性的朊病毒(PrPSc)導(dǎo)致的具有高致死率的神經(jīng)退行性疾病,該疾病可在多種動物包括人類之間傳播。其病理特征主要為細(xì)胞中具有正常構(gòu)象的朊蛋白(PrPC)發(fā)生錯誤折疊形成病理型的朊病毒蛋白(PrPSc)。Prion疾病分為散發(fā)性、家族遺傳性和感染性三種類型,家族遺傳性prion疾病的發(fā)生與朊蛋白基因的突變密切相關(guān)。已發(fā)現(xiàn)引起家族遺傳性prion疾病的PrP突變位點(diǎn)共33個,包含42種不同氨基酸的突變。這些不同的病理突變體可以形成多種不同的朊病毒株型,引發(fā)不同的臨床癥狀,導(dǎo)致不同疾病的發(fā)生,如克雅氏病(Creutzfeldt-Jakob disease, CJD)、致死性家族失眠癥(fatal familial insomnia, FFI)和格斯特曼氏綜合征(Gerstmann-Straussler-Scheinker disease, GSS)等。然而,病理性突變體是如何改變朊病毒蛋白結(jié)構(gòu)的?不同的朊病毒蛋白病理性突變體如何引起不同的病理臨床癥狀?這些都是領(lǐng)域內(nèi)尚未解決的重要科學(xué)問題。
在本研究中,研究人員對克雅氏?。–JD)家族性突變位點(diǎn)E196K進(jìn)行研究。研究人員制備了高度均一、分散的全長人源朊蛋白病理突變體E196K淀粉樣纖維,并進(jìn)一步運(yùn)用冷凍電鏡技術(shù)在近原子水平上解析了E196K纖維的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)(3.04 埃)。研究發(fā)現(xiàn),E196K突變破壞了野生型朊病毒纖維中的關(guān)鍵相互作用力,導(dǎo)致了纖維結(jié)構(gòu)的重排,形成了與野生型朊病毒纖維完全不同的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由兩根原纖維以左手螺旋的方式纏繞而成,纖維核心寬度約為11 nm,半螺旋周期為126.4 nm(圖1)。
圖1:E196K纖維冷凍電鏡結(jié)構(gòu)
研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)E196K纖維核心主要由其C端的175-217組成,包含5個β-折疊結(jié)構(gòu)。在E196K纖維結(jié)構(gòu)中,來自兩個亞基的Lys194、Lys196、Glu200和Glu207組成四對鹽橋,形成了一個同時包含親水氨基酸和疏水氨基酸的鋸齒形相互作用界面(圖2)。該研究揭示了朊病毒蛋白病理突變體引起聚集纖維多態(tài)性的分子機(jī)制,為發(fā)展相關(guān)診斷和治療手段提供了分子基礎(chǔ),具有較為重要的科學(xué)意義。
圖2:E196K纖維與野生型纖維的結(jié)構(gòu)對比
上述工作由中科院上海有機(jī)所生物與化學(xué)交叉研究中心劉聰研究員和武漢大學(xué)梁毅教授為共同通訊作者,梁毅課題組博士王利強(qiáng)、博士研究生袁菡燁和劉聰課題組博士研究生趙焜為共同第一作者。研究經(jīng)費(fèi)主要來自國家自然科學(xué)基金委和國家科技部的資助?! ?/div>