Cell Res︱李丹/王坚/刘聪合作在人脑中发现并表征由TMEM106B形成的全新病理蛋白纤维聚集体

撰文︱范   云

责编︱王思珍

病理蛋白通过液-固相变形成的蛋白纤维聚集体是多种神经退行性疾病（neurodegenerative diseases，NDs）的重要病理标志[1]。不同蛋白形成的病理性聚集体在不同的NDs中被发现具有多种不同的病理毒性，包括：激活神经炎症、打破蛋白稳态、引发线粒体损伤、跨脑区及跨器官传播等[2-5]。因此，对于病理蛋白聚集体的组成结构，聚集机理及病理毒性的研究对于理解NDs的致病机制及药物研发具有重要意义。

2022年4月27日，上海交通大学李丹课题组、复旦大学附属华山医院王坚课题组及上海有机所交叉中心刘聪课题组合作在Cell Research在线发表题为“Generic amyloid fibrillation of TMEM106B in patient with Parkinson's disease dementia and normal elders”的研究成果。在这项研究中，研究人员直接从一位伴有痴呆的帕金森病患者（Parkinson’s disease dementia，PDD）及两位高龄健康对照者的脑组织中提取并发现一种之前未知的全新病理蛋白聚集体，进一步通过冷冻电镜及质谱等方法揭示这种全新的蛋白病理聚集体是由跨膜蛋白106B（transmembrane protein 106B，TMEM106B）折叠成新颖的冰壶状片层结构单元并进一步自组装形成。本工作发现了存在于ND病人及健康高龄老人脑中的一类全新病理蛋白纤维聚集体，并讨论了新发现的蛋白聚集体在NDs及衰老中的作用。

李丹与刘聪课题组长期合作研究帕金森病关键蛋白α-syn的液-固相变与聚集的分子机理、发展化学干预的新方法。之前的研究主要借助于体外制备的α-syn蛋白聚集体展开[6,7]。在本工作中，两个课题组与华山医院王坚课题组密切合作，尝试从PDD患者脑组织中直接提取α-syn病理蛋白聚集体，并通过多步纯化最终从脑组织成功提取获得蛋白纤维聚集体（图1）。然而，令人惊讶的是，从PDD脑组织提取的蛋白纤维聚集体并非由α-syn形成。进一步，研究人员通过冷冻电镜及质谱等技术手段鉴定这个全新的蛋白聚集体是由之前缺乏关注与研究的TMEM106B蛋白形成的。

图1 人脑组织蛋白纤维聚集体提取方法及结果。

（图源：Fan Y, et al., Cell Res, 2022）

更为有趣的是，除了PDD患者的脑组织，研究人员同时从另外两例高龄健康对照者脑组织中提取获得同样由TMEM106B形成的蛋白纤维聚集体。进一步的研究发现, TMEM106B在PDD及两例健康对照脑组织中形成有别于其天然构象的全新冰壶状构象并组装形成具有类似β-折叠片层结构的纤维聚集体。但TMEM106B在三种不同来源的纤维聚集体中又存在细微的差别。在2号健康对照中，TMEM106B呈现单股原纤维组成的Type 1结构（图2）；在1号健康对照中为单股原纤维组成的Type 2结构；在PDD中同时存在两种结构的TMEM106B纤维，一种为与1号健康对照相同的Type 2结构，另一种为由两股与Type 2结构相同的原纤维组成的Type 3结构。Type 1和Type 2纤维聚集体均由TEME106B的C端结构域（residue 120-254）组成，形成一个含有17个β-片层的冰壶状构型（图2）。

图2 PDD患者和高龄健康对照脑组织TMEM106B纤维聚集体冷冻电镜结构。

（图源：Fan Y, et al., Cell Res, 2022）

值得一提的是，在过去的1个多月时间里，哥伦比亚大学Fitzpatrick课题组、加州大学洛杉矶分校Eisenberg课题组及剑桥大学Goedert＆Scheres课题组陆续在Cell及Nature报道了与本研究高度相关的研究成果[8-10]。其中，Fitzpatrick及Eisenberg课题组从多个不同类型NDs（包括额颞叶变性、进行性核上性麻痹及路易体痴呆等）的患者脑中获取TMEM106B病理纤维聚集体，并认为TMEM106B形成的聚集体与不同NDs（特别是额颞叶变性）的发病密切相关。然而，Goedert＆Scheres课题组发现TMEM106B不仅存在于ND患者脑组织中，也存在于高龄健康人群脑组织中，并推测TMEM106B聚集体可能是一个衰老相关的年龄依赖的蛋白聚集体，与NDs的发病没有直接关联。因此，以上三个工作对于TMEM106B纤维聚集体的病理意义存在较大的争议。

在本工作中，研究人员综合分析了本工作及以上三个工作中报道的用来提取TMEM106B纤维聚集体的脑组织捐赠者年龄在不同亚群中的分布特征，发现无论是以家族性及散发性NDs分类，还是以不同类别的NDs分类，NDs患者的年龄均显著低于健康对照组（图3）。据此，提出了疾病与年龄共同作为TMEM106B病理纤维聚集形成的两个关键驱动因素。

图3 含有TMEM106B纤维的脑组织捐赠者的年龄统计分析图。

（图源：Fan Y, et al., Cell Res, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上，本研究工作从PDD患者及高龄健康对照者中脑组织中意外发现一类全新的由TMEM106B蛋白形成的病理纤维聚集体,并利用冷冻电镜螺旋重构技术解析了TMEM106B纤维类原子结构；此外，本研究综合分析了近期发表的结论存在矛盾的三项研究及本研究中脑组织捐赠者的年龄分布特征，发现了TMEM106B纤维的形成与疾病、衰老存在直接关系。本工作为理解不同蛋白病理聚集体在疾病及衰老中的复杂作用提供了新的认识；为进一步探索人脑中存在的不同蛋白聚集体的纷繁复杂的病理及生理活性开拓了新的思路；也为识别病理蛋白聚集体的PET示踪剂的研发提出新的挑战。此前对于TMEM106B蛋白的关注及相关研究较少，在未来的研究中，不仅有待进一步揭示TMEM106B蛋白的正常生理功能，而且需要进一步探究TMEM106B淀粉样纤维形成机制及其与神经变性疾病发生发展的关系。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41422-022-00665-3

复旦大学附属华山医院研究生范云、上海交通大学研究生赵钦玥和上海有机所交叉中心研究生夏文程为该论文的共同第一作者。本工作受到基金委、科技部及上海市科委的大力资助。

通讯作者李丹（左），通讯作者王坚（右）

（照片提供自：李丹/王坚/刘聪团队）

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通讯作者/实验室简介及招聘信息（上下滑动阅读）  

李丹：博士，上海交通大学特别研究员，课题组长，博士生导师。李丹博士聚焦蛋白相分离和相变，开发基于冷冻电镜的电子衍射、螺旋纤维成像、in-cell核磁等前沿技术，研究蛋白分相正常生理功能的原子分子基础，及蛋白淀粉样相变导致神经退行性疾病的原子分子基础。近5年在Cell，Nature子刊，PNAS，Cell Research等高水平期刊发表多项科研成果。

王坚：博士，教授/主任医师，博导。华山医院神内科副主任，国家老年疾病临床医学研究中心(华山)“神经退行性疾病”研究方向负责人，复旦大学“老年医学与健 康研究院”老年认知与运动障碍研究中心主任。长期聚焦PD临床及基础研究、慢病长程管理，共发表SCI论文106篇，被引2802次，H指数31(Google Scholar)。近 5 年以通讯/第一作者，聚焦帕金森病共发表论文 48 篇(其中7 篇>10 分)。主持重大(培育)、 面上、青年项目等国自然基金共7项，主持科技部国家重点研发计划“重大慢性非传染 性疾病防控研究”重点专项“帕金森病分子影像学研究”子课题及多项省部级课题。

博士后及技术员招聘

上海交通大学李丹课题组及中科院上海有机所生物与化学交叉中心刘聪课题组诚聘优秀人才（包括博士后和技术员）加入团队共同探索蛋白相变及病理聚集在神经退行性疾病中的病理作用机制，并通过化学-生物-医学交叉研究范式，发展基于小分子的化学干预及疾病早期临床诊断的新策略。研究团队将提供良好的科研发展机会及优越的待遇。请感兴趣的申请人联系：[e-mail] 

复旦大学附属华山医院王坚课题组诚聘一名复旦大学超级博士后加入团队共同进行帕金森病及相关神经退行性疾病神经影像、发病机理、早期诊断和修饰治疗的临床及基础研究。课题组将提供良好的科研发展机会及优越的待遇，有意申请者请联系：[e-mail]。

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参考文献（上下滑动阅读）  

1Goedert, M. NEURODEGENERATION. Alzheimer's and Parkinson's diseases: The prion concept in relation to assembled Aβ, tau, and α-synuclein. Science (New York, N.Y.) 349, 1255555, doi:10.1126/science.1255555 (2015).

2Meda, L. et al. Activation of microglial cells by beta-amyloid protein and interferon-gamma. Nature 374, 647-650, doi:10.1038/374647a0 (1995).

3Olzscha, H. et al. Amyloid-like aggregates sequester numerous metastable proteins with essential cellular functions. Cell 144, 67-78, doi:10.1016/j.cell.2010.11.050 (2011).

4Jucker, M. & Walker, L. C. Self-propagation of pathogenic protein aggregates in neurodegenerative diseases. Nature 501, 45-51, doi:10.1038/nature12481 (2013).

5Ruan, L. et al. Cytosolic proteostasis through importing of misfolded proteins into mitochondria. Nature 543, 443-446, doi:10.1038/nature21695 (2017).

6Sun, Y. et al. The hereditary mutation G51D unlocks a distinct fibril strain transmissible to wild-type α-synuclein. Nature communications 12, 6252, doi:10.1038/s41467-021-26433-2 (2021).

7Li, D. & Liu, C. Hierarchical chemical determination of amyloid polymorphs in neurodegenerative disease. Nature chemical biology 17, 237-245, doi:10.1038/s41589-020-00708-z (2021).

8Schweighauser, M. et al. Age-dependent formation of TMEM106B amyloid filaments in human brains. Nature, doi:10.1038/s41586-022-04650-z (2022).

9Chang, A. et al. Homotypic fibrillization of TMEM106B across diverse neurodegenerative diseases. Cell, doi:10.1016/j.cell.2022.02.026 (2022).

10Jiang, Y. X. et al. Amyloid fibrils in disease FTLD-TDP are composed of TMEM106B not TDP-43. Nature, doi:10.1038/s41586-022-04670-9 (2022).

制版︱王思珍

本文完