JACS | 董甦伟/刘聪合作揭示糖基化修饰调控阿尔兹海默病Aβ病理性聚集的新机制
β淀粉样多肽（Aβ）的错误折叠及在大脑中的聚集被认为与阿尔兹海默症（AD）的发生发展密切相关【1】。多种不同的翻译后修饰（如磷酸化、硝基化、焦谷氨酸化等）对Aβ的病理性聚集及体内生物学活性具有重要及不同的调控作用。近年来，越来越多的实验证据显示在AD等多种神经退行性疾病中，脑内多种病理相关蛋白的糖基化位点、数量和水平都出现了显著改变，暗示了糖基化修饰在AD发生和发展中的重要意义【2,3】。2011年，Nilsson团队在AD病人脑脊液中Aβ片段上鉴定到此前未在哺乳动物中发现的酪氨酸O-糖基化修饰【4】，然而受限于天然来源翻译后修饰蛋白丰度低、微观不均一等困难，这一糖基化修饰的生物学功能及在疾病中的作用尚未能得以阐释。
2021年11月29日，北京大学药学院董甦伟团队和中科院上海有机所生物与化学交叉中心刘聪团队合作在J. Am. Chem. Soc.上发表题为 O-Glycosylation Induces Amyloid-β to Form New Fibril Polymorphs Vulnerable for Degradation 的研究论文，利用化学合成策略构建了一系列含不同O-糖基化修饰的均一结构Aβ，并基于其系统研究了糖链对Aβ病理性聚集的调控作用及其构效关系。
在此项研究中，作者首先合成了三种O-糖修饰的酪氨酸砌块，其所含糖链包含了粘蛋白（mucin）糖型中代表性的α-GalNAc, Galβ1-3GalNAc, Neuα2,3Galβ1-3GalNAc。随后将这些糖基化酪氨酸砌块通过固相多肽合成策略制备相应的Aβ糖肽。由于Aβ中有较多大位阻氨基酸，且序列疏水性强、易于聚集，合成其原始序列本身就具有较大挑战性；引入糖链结构后，也给合成糖基修饰的Aβ带来了更多困难。为了解决这些合成难题，作者利用微波辅助的合成策略来提高多肽合成效率，并通过引入可脱除的多赖氨酸亲水标签来改善序列亲疏水性、降低产物的纯化难度，最终以较高效率获得了结构均一、带有不同O-糖修饰的Aβ糖肽。
运用光谱学及电镜等手段对三种Aβ糖肽、以及不含糖链原始Aβ多肽的二级结构、聚集性质、纤维形态等进行表征，作者发现糖基化修饰能够显著抑制Aβ的聚集，并且随着糖链结构的增大，这一抑制作用也随之增强，这体现了糖链结构复杂程度（包括尺寸效应等）对Aβ聚集的另一个调控维度。作者对Aβ聚集/解聚的动力学进行进一步研究，实验结果表明糖基修饰可以降低已形成纤维的结构稳定性。在随后的酶解实验中，作者发现含有糖基修饰的Aβ纤维由于其结构不稳定性，表现出了更低的酶解稳定性，而所得的酶切产物也与体内所鉴定到的糖肽片段相吻合。
为了进一步理解糖基化修饰降低Aβ病理性纤维稳定性的分子机制，作者利用冷冻电镜技术解析了带有Galβ1-3GalNAc糖型修饰的Aβ纤维结构。结构信息表明，糖基化诱导Aβ组装形成一种新颖的淀粉样纤维结构。相比于未修饰的Aβ纤维，该纤维结构具有更小的原纤维组装接触面，介导Aβ原纤维组装形成成熟纤维的分子间作用力更弱。因此，从分子原子层面阐释了糖基化修饰导致纤维稳定性显著降低的现象。
综上，该工作首次发现糖基修饰在动态调控Aβ病理性聚集方面的重要功能，为后续不同糖基修饰调控神经退行性疾病病理蛋白聚集的生物活性及病理毒性研究提供了有利的研究工具及新的研究思路。
北京大学药学院董甦伟研究员、中科院上海有机所刘聪研究员为该论文的共同通讯作者，药学院2016级长学制硕士生刘当亮、魏琦佳及中科院上海有机所2020级硕士生夏文程为该论文的共同第一作者。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c08607
参考文献
1. Karran, E., Mercken, M. & Strooper, B.D. The amyloid cascade hypothesis for Alzheimer's disease: an appraisal for the development of therapeutics. Nature Reviews Drug Discovery 10, 698-712 (2011).
2. Frenkel-Pinter, M. et al. Interplay between protein glycosylation pathways in Alzheimer’s disease. Science advances 3, e1601576-e1601576 (2017).
3. Zhang, Q., Ma, C., Chin, L. & Li, L. Integrative glycoproteomics reveals protein N-glycosylation aberrations and glycoproteomic network alterations in Alzheimer's disease. Science advances 6, eabs5802 (2020).
4. Halim, A. et al. Site-specific characterization of threonine, serine, and tyrosine glycosylations of amyloid precursor protein/amyloid β -peptides in human cerebrospinal fluid. Proceedings of the National Academy of Sciences 108, 11848-11853 (2011).
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