上海有機所交叉中心團隊探究帕金森病致病蛋白聚集體與受體識別的構象動力學特性
發(fā)布時間:2023-03-09中科院上海有機化學研究所交叉中心| 【 大 中 小 】【打印】 【關閉】
蛋白質通過自組裝形成的病理性淀粉樣纖維聚集體,是多種神經(jīng)退行性疾病(如:阿爾茲海默病,帕金森病及漸凍人癥等)的共同病理特征,并在相應疾病的發(fā)生發(fā)展過程中起到關鍵的病理作用。例如:作為帕金森病及多種突觸核蛋白病的核心致病因子,α-突觸核蛋白(α-syn)的纖維聚集可以通過與多種膜受體蛋白,內源代謝分子,及蛋白酶體等的互作來介導病理聚集的細胞間傳播,并誘發(fā)炎癥反應。病理聚集體中的柔性區(qū)在底物識別中起到至關重要的作用。然而,由于柔性區(qū)構象的高度動態(tài)性及纖維整體的固態(tài)性質,對其本身構象及與底物互作的結構基礎與分子機制研究還非常匱乏,這極大地阻礙了我們對于病理纖維聚集體在不同神經(jīng)退行性疾病中病理毒性機制的深入理解。
2023年2月16日,中科院上海有機化學研究所交叉中心的劉聰團隊與中國科學技術大學生命科學學院項晟祺團隊合作在Journal of the American Chemical Society雜志上發(fā)表了一篇題為 “Conformational Dynamics of an α-Synuclein Fibril upon Receptor Binding Revealed by Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer-Based Solid-State Nuclear Magnetic Resonance and Cryo-Electron Microscopy”的研究論文。該工作通過利用以非靈敏核的極化轉移增強為基礎(INEPT-based)的固態(tài)核磁1H檢測技術和冷凍電鏡技術,首次在原子水平表征了帕金森病致病蛋白a-syn病理性纖維高度柔性的末端區(qū)域(terminal regions, TRs)的動態(tài)構象,并發(fā)現(xiàn)TRs在結合介導其細胞間病理傳播的關鍵受體LAG3過程中,經(jīng)歷了顯著的構象變化,并同時引起纖維核心區(qū)的構象重排(圖1)。該工作展現(xiàn)了有機結合固態(tài)核磁共振技術與冷凍電鏡技術對于探究病理蛋白自組裝聚集過程中的構象變化及聚集體與底物互作研究中的重要意義;為系統(tǒng)研究病理蛋白聚集體的結構與毒性在方法學上提供了新的手段與策略。
圖1. 冷凍電鏡技術與固態(tài)核磁技術聯(lián)用表征病理蛋白淀粉樣纖維組裝聚集及與結合蛋白互作的分子機制
在本工作中,研究者首先利用冷凍電鏡技術解析了a-syn纖維剛性纖維核心區(qū)(fibril core, FC)的原子結構,其由V37-Q99位氨基酸組成,而高度柔性的N-TR和C-TR在電鏡結構中不可見。研究者們進一步利用固態(tài)核磁INEPT-based 1H檢測技術對a-syn纖維柔性的TRs進行研究,發(fā)現(xiàn)a-syn的核心區(qū)域形成纖維后,其N-TR和C-TR松散的在a-syn纖維表面分布,并且它們所處的化學環(huán)境與其在a-syn單體中非常相似。進一步的核磁滴定實驗表明,特異性識別a-syn纖維的膜表面受體LAG3 的D1結構域(L3D1)直接與a-syn纖維中柔性的C-TR結合的。有趣的是,L3D1與a-syn纖維中柔性的C-TR結合后,誘導了原本高度柔性的N-TR會被纖維核心招募而變得剛性,從而形成一個呈現(xiàn)顯著纖維表面性質差異的新穎纖維核心構象(圖2)。

圖2. α-Syn纖維與受體蛋白L3D1結合誘導的病理纖維核心結構重排
綜上,該工作系統(tǒng)闡釋了受體蛋白結合誘導的a-syn病理性纖維構象變化和結構重排現(xiàn)象,在原子水平上揭示了病理性a-syn纖維聚集體的關鍵受體蛋白LAG3,通過結合a-syn纖維柔性的末端結構域進而引起a-syn纖維核心發(fā)生構象變化的分子機制。該工作有助于深入理解a-syn病理纖維聚集的動態(tài)構象和其與病理毒性之間的關聯(lián)。更為重要的是,本工作建立了一種新穎有力的冷凍電鏡與固態(tài)核磁共振技術聯(lián)用方法,以表征病理淀粉樣纖維構象動態(tài)變化及其與底物識別互作過程。
上述工作由中科院上海有機所生物與化學交叉研究中心的張勝男副研究員,中國科學技術大學李娟和有機所交叉中心徐千蕙為共同第一作者,有機所交叉中心劉聰研究員和中國科學技術大學項晟祺教授為共同同通訊作者。經(jīng)費支持主要來自于國家重點研發(fā)計劃項目,國家自然科學基金委基礎科學中心,科學院先導項目及上海市科委等項目及基金的資助。