α-突觸核蛋白（α-syn）作為帕金森?。≒D）、路易體癡呆（DLB）、多系統(tǒng)萎縮（MSA）等神經(jīng)退行性疾病的關(guān)鍵致病蛋白，具有在不同條件下形成不同結(jié)構(gòu)和病理毒性的淀粉樣纖維聚集的能力。近期研究發(fā)現(xiàn)，來自MSA，PD及DLB患者腦中的α-syn 病理纖維結(jié)構(gòu)均含有不同的化學(xué)配體通過與附近氨基酸殘基的非共價(jià)作用參與特定α-syn聚集纖維構(gòu)象的形成。盡管這些化學(xué)配體尚未獲得鑒定，但其顯然與α-syn纖維的構(gòu)象選擇以及病理毒性高度相關(guān)。因此，不同的化學(xué)配體如何影響α-syn病理聚集并決定纖維結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域的一個(gè)重要的前沿科學(xué)問題。
2022年7月22日，交叉中心劉聰課題組與上海交通大學(xué)Bio-X研究院李丹課題組合作在Nature Communications上發(fā)表標(biāo)題為Heparin induces α-synuclein to form new fibril polymorphs with attenuated neuropathology的最新研究成果。在此項(xiàng)工作中，研究人員報(bào)道了富含負(fù)電的糖胺聚糖——肝素（heparin）能夠高效的誘導(dǎo)α-syn形成全新構(gòu)象的聚集纖維復(fù)合物（hep-α-syn）。有趣的是，hep-α-syn纖維復(fù)合物通過削弱α-syn纖維被細(xì)胞攝取的效率以及播種能力減弱其在神經(jīng)元上的病理毒性。進(jìn)一步的機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，heparin作為長(zhǎng)鏈生物多聚物能夠通過在分子內(nèi)和原纖維間水平上重排α-syn的電荷互作模式來調(diào)控α-syn纖維的折疊和組裝，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生具有全新結(jié)構(gòu)的α-syn纖維構(gòu)象。此項(xiàng)工作揭示了化學(xué)配體在調(diào)控病理淀粉樣纖維的構(gòu)象選擇和病理毒性中的重要作用。
在本工作中，研究人員首先發(fā)現(xiàn)相比于apo-α-syn對(duì)照組，糖胺聚糖heparin顯著加速了α-syn單體的聚集纖維化速率，并誘導(dǎo)其形成具有截然不同形態(tài)的hep-α-syn纖維（圖1）。更為重要的是，具有新穎形態(tài)的hep-α-syn纖維與apo-α-syn纖維對(duì)比，在神經(jīng)元水平呈現(xiàn)出顯著降低的病理毒性（圖1）。通過更細(xì)致的表征hep-α-syn纖維復(fù)合物的“病理功能畫像”（pathological profile），研究人員發(fā)現(xiàn)heparin誘導(dǎo)產(chǎn)生纖維神經(jīng)病理毒性的降低是通過三個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)的，包括：（1）削弱纖維與神經(jīng)元細(xì)胞表面結(jié)合；（2）降低纖維被神經(jīng)元細(xì)胞攝取的效率；（3）抑制纖維在神經(jīng)元中播種和誘導(dǎo)內(nèi)源α-syn聚集的能力。
進(jìn)一步，通過冷凍電鏡（cryo-EM）三維螺旋重構(gòu)技術(shù)，研究人員解析了hep-α-syn纖維的高分辨率電鏡結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其由4種不同的纖維構(gòu)象（polymorphs）構(gòu)成（分別命名為Hep-P1，Hep-P2，Hep-P3，以及Hep-P4）。值得注意的是，在hep-α-syn的polymorphs結(jié)構(gòu)中可以明確的觀察到存在于α-syn纖維周圍或原纖維界面的額外密度，這些密度靠近α-syn表面的賴氨酸（Lys）殘基（圖2）。通過分子對(duì)接，搭建了heparin和α-syn纖維相互作用的原子模型，發(fā)現(xiàn)作為富含負(fù)電的生物聚合物，heparin能夠通過其磺酸基團(tuán)沿纖維軸結(jié)合在由Lys形成的正電表面上（圖2）。
圖1. Heparin誘導(dǎo)促進(jìn)α-syn形成全新纖維構(gòu)象，并呈現(xiàn)顯著降低的神經(jīng)元毒性
通過進(jìn)一步的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)Hep-P1，Hep-P2以及Hep-P3的原纖維核心結(jié)構(gòu)與體外重構(gòu)的α-syn polymorph 2相似，然而heparin與Lys的電荷相互作用穩(wěn)定了這些polymorphs的原纖維組裝界面，從而介導(dǎo)了新的polymorphs形成。在Hep-P1中，heparin穩(wěn)定了α-syn的單股原纖維表面；而在Hep-P3中，heparin介導(dǎo)兩股原纖維形成新的組裝界面（圖3）。此外，heparin通過誘導(dǎo)分子內(nèi)的結(jié)構(gòu)重排，使Hep-P4折疊成全新的“Z”形構(gòu)象。Heparin與Lys80的靜電相互作用使其暴露于溶劑中，并阻止了N端的包裹。有趣的是，Hep-P4纖維核心的N端具有與α-syn Polymorph 2相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其C端具有與α-syn Polymorph 1相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而使其表現(xiàn)為α-syn纖維結(jié)構(gòu)中兩種常見“構(gòu)象原型”（prototype）的混合體纖維構(gòu)象。
圖2. Heparin誘導(dǎo)α-syn形成具有構(gòu)象多態(tài)性的纖維原子結(jié)構(gòu)分析
綜上，本工作通過對(duì)hep-α-syn纖維復(fù)合物的動(dòng)態(tài)組裝機(jī)制、細(xì)胞毒性以及纖維原子結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究，闡釋了糖胺聚糖作為一種特定形式的化學(xué)配體是如何通過復(fù)雜的非共價(jià)相互作用調(diào)控病理淀粉樣纖維的折疊和組裝，并影響其病理毒性。本工作為理解其它生物大分子誘導(dǎo)病理淀粉樣纖維聚集體在神經(jīng)退行性疾病中的演化和病理作用提供了基礎(chǔ), 并為設(shè)計(jì)與發(fā)展化學(xué)配體抑制神經(jīng)退行性疾病關(guān)鍵蛋白聚集體的病理毒性提供了新的思路。
圖3. Heparin誘導(dǎo)α-syn形成不同polymorphs的機(jī)制示意圖
上海交通大學(xué)Bio-X研究院博士研究生陶友琦和中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心博士研究生孫云鵬為該論文的共同第一作者。論文的合作單位包括：上海交通大學(xué)Bio-X研究院、中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心、浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，以及四川省人民醫(yī)院神經(jīng)病學(xué)研究所。
