梁毅/刘聪合作揭示朊病毒蛋白病理聚集多态性分子机制
北京时间2021年9月9日凌晨2时，《科学—进展》（Science Advances）以长文（Research Article）形式在线发表了武汉大学团队和中国科学院上海有机所交叉中心团队的最新研究成果。
研究人员在原子水平上解析了朊病毒蛋白病理突变体E196K纤维的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了朊病毒蛋白病理聚集多态性的分子机制，为发展新的基于朊病毒蛋白纤维结构的prion疾病治疗药物奠定了基础。
武汉大学生命科学学院梁毅教授和中国科学院上海有机所交叉中心刘聪研究员为该论文的共同通讯作者；武汉大学生命科学学院博士后王利强、中国科学院上海有机所交叉中心博士生赵焜和武汉大学生命科学学院博士生袁菡烨为共同第一作者；华中农业大学生命科学技术学院殷平教授等参与了该论文的研究工作。
传染性海绵状脑病（TSE）或prion疾病是一类致死的神经退行性疾病，由朊病毒蛋白（PrP）在体内发生错误折叠而引起，影响包括人在内的多种哺乳动物。
朊病毒蛋白由宿主基因PRNP编码，正确折叠的蛋白质不仅没有致病性和感染性，还具有重要的生理功能；其错误折叠后则会转变为具有感染性的朊病毒(prions)，能够使许多哺乳动物患病，给人类健康带来了重大威胁。
1997年诺贝尔生理或医学奖得主S. B. Prusiner教授最先描述了朊病毒，即蛋白质感染因子。根据发病特征，Prion疾病分为散发性、家族遗传性和感染性三种类型，家族遗传性prion疾病的发生与朊蛋白基因PRNP的突变密切相关，已发现引起家族遗传性prion疾病的PrP突变位点共33个，包含42种家族遗传性prion疾病。这些不同的病理突变体可以形成朊病毒不同的株型，引起不同的临床症状，导致不同疾病的发生，如克雅氏病（Creutzfeldt-Jakob disease, CJD）、致死性家族失眠症（fatal familial insomnia, FFI）和格斯特曼氏综合征（Gerstmann-Sträussler-Scheinker disease, GSS）等。
图1：E196K纤维和野生型PrP纤维的成像比较
在野生型人朊病毒蛋白纤维冷冻电镜结构及功能前期工作（2020年6月8日发表于《自然—结构与分子生物学》（Nat. Struct. Mol. Biol. 2020, 27, 598-602）中，梁毅与刘聪团队合作解析了全长野生型朊蛋白纤维的结构，首次在原子水平上揭示了PrP由细胞型朊蛋白（PrPC）向病理型朊病毒蛋白（PrPSc）结构转变的机制，启示不同的病理突变体在调节朊病毒蛋白构象转化中可能发挥着不同的作用。然而朊病毒蛋白病理聚集多态性的分子机制是什么仍是困扰科学界的谜题。
“冷冻电镜（Cryo-EM）技术为蛋白质错误折叠与疾病带来革命性的进展；解析PrP病理突变体纤维的高分辨率结构将为理解朊病毒蛋白病理聚集多态性的分子机制起到极大的推动。”论文指出。
图2：E196K淀粉样纤维的原子结构模型
梁毅介绍，为了回答“朊病毒株型是怎么形成的”这一科学问题，在这项研究中，研究人员制备了高度均一的朊病毒蛋白病理突变体E196K淀粉样纤维，并运用冷冻电镜结合三维重构技术在原子水平上解析了E196K纤维的高分辨率冷冻电镜结构（3.07 Å），发现E196K纤维由两股原纤维以左手螺旋的方式缠绕而成，纤维宽度为22 nm，纤维核心直径是11 nm，半个螺旋周期为126.4 nm。
进一步研究发现，E196K纤维每股原纤维的核心包含5个β-折叠结构（从β1到β5）。在E196K聚集过程中，两股原纤维通过来自两个亚基的Lys194和Glu207之间以及Lys196和Glu200之间形成的4对盐桥发生相互作用，形成一个长的之字形相互作用界面，该界面同时包含亲水氨基酸和疏水氨基酸。
同时，对于E196K纤维每个亚基包含一个亲水腔这样新奇的结构，研究团队对于其病理学意义进行了探索，发现E196K纤维也能和刚果红结合，而且其蛋白酶抗性和构象稳定性均显著低于野生型PrP纤维。
基于上述结论，研究人员提出，在E196K错误折叠过程中，E196K PrPC C端的两个α-螺旋转变成E196K纤维的五个β-折叠结构，Cys179和Cys214之间的二硫键起到了稳定淀粉样纤维结构的作用。
图3：人PrPC和E196K纤维、野生型PrP纤维以及263K朊病毒纤维结构比较
这项工作的研究结果首次揭示了E196K纤维和野生型PrP纤维之间的关键结构差异：(1) E196K纤维形成的是亲水空腔，而野生型PrP纤维则形成了疏水空腔；(2) E196K纤维形成的是既包含亲水又包含疏水的原纤维界面，而野生型PrP纤维则形成了短的亲水原纤维界面；(3) E196K纤维形成了5个β-折叠结构，而野生型PrP纤维形成了6个β-折叠结构；(4) E196K纤维相较野生型纤维具有更不稳定的构象。
该研究首次在原子水平上揭示了朊病毒株型形成分化的机制，证明不同株型的家族性病理突变能够破坏朊病毒蛋白纤维中重要的相互作用（例如盐桥），使得这些病理突变体纤维结构形成了完全不同于野生型朊病毒蛋白纤维的构象，因此不同的病理突变体在调节朊病毒蛋白构象转化中可能发挥着不同的作用，并使得发展新的基于PrP纤维结构的prion疾病治疗药物成为可能，为PrPSc结构与致病功能的深入研究和回答“朊病毒株型是怎么形成的”奠定了分子基础。
相关论文信息：
DOI: 10.1126/sciadv.abg9676
编辑 | 余 荷
欲知更多内容，敬请围观小柯机器人频道：