梁毅课题组揭示渐冻人症致病蛋白质SOD1构象转化分子机制

发布时间 : 2022/06/22点击量:

  2022年6月17日,Nature Communications(影响因子14.919)以长文(Article)形式在线发表梁毅教授的最新研究成果,论文题为“Cryo-EM structure of an amyloid fibril formed by full-length human SOD1 reveals its conformational conversion”(全长人SOD1淀粉样纤维的冷冻电镜结构揭示其构象转化分子机制),该研究全球首先解析铜锌超氧化物歧化酶(SOD1)纤维的高分辨率冷冻电镜结构,揭示了渐冻人症(ALS)致病蛋白质SOD1构象转化分子机制,为发展新的基于SOD1纤维结构的ALS治疗药物奠定了基础。

  肌萎缩侧索硬化症(Amyotrophic lateral sclerosis, ALS)又称渐冻人症,是一种进行性的、致命的神经退行性疾病,其主要症状表现为运动皮层、脑干以及脊髓中的上、下运动神经元进行性的退化,它们的退化伴随而来的是肌无力、肌肉萎缩导致的瘫痪,以及最终因为呼吸衰竭而导致的死亡。SOD1和TAR DNA结合蛋白43(TDP-43)在中枢神经系统的运动神经元形成纤维样聚集体是ALS的重要病理特征之一。

  SOD1主要位于细胞质中,也存在于细胞核和线粒体膜间隙中,是真核细胞抵抗活性氧(ROS)的抗氧化应激酶系中的重要成员,sod1是最早被鉴定出与家族遗传型ALS相关的致病基因。随着年龄的增大,细胞中特别是SOD1半衰期较长的运动神经元细胞中,SOD1受到损伤的风险增大,极易发生病变,造成ALS等相关神经退行性疾病。

  在野生型朊蛋白及其病理突变体E196K淀粉样纤维冷冻电镜结构及功能前期工作(2020年6月8日和2021年9月9日分别发表于Nature Structural & Molecular Biology(《自然·结构与分子生物学》和Science Advances(《科学·进展》)中,梁毅教授研究团队解析了全长野生型朊病毒蛋白纤维和全长E196K纤维的结构,首次在原子水平上揭示了朊蛋白由细胞型朊蛋白(PrPC)向病理型朊病毒蛋白(PrPSc)结构转变的机制,揭示了朊病毒蛋白病理聚集多态性的分子机制。SOD1是一种类朊病毒蛋白,然而非常稳定的天然SOD1蛋白到底是怎么转化为具有致病结构的SOD1的仍是困扰科学界的谜题。

  为了阐释SOD1由生理型向病理型转变的结构基础,在这项研究中,研究人员制备了高度均一的全长人SOD1淀粉样纤维,发现这些纤维具有显著的细胞毒性,能够诱导细胞内的线粒体功能紊乱,并运用冷冻电镜结合三维重构技术在原子水平上解析了全长SOD1纤维的高分辨率结构(2.95 Å),发现SOD1纤维由单股原纤维以左手螺旋的方式缠绕而成,纤维宽度为12.3 nm,纤维核心直径是11 nm,半个螺旋周期为73.1 nm。纤维核心的疏水氨基酸侧链向内折叠形成5个疏水空腔,起到了稳定淀粉样纤维结构的作用。

  为了进一步揭示SOD1淀粉样纤维的原子结构模型,梁毅教授研究团队发现SOD1纤维核心由其N端的3-55区域和C端的86-153区域组成,而且这两个区域主要通过Lys36和Asp109之间、His43和Asp101之间以及His46和Glu100之间形成的3对盐桥紧密结合在一起。对于这样新奇的结构,该研究团队对于其病理学意义进行了探索,发现在SOD1纤维结构中形成盐桥的五个关键氨基酸残基His43、His46、Glu100、Asp101和Asp109都是与ALS相关联的病理突变位点。

  通过比较脱辅基SOD1二聚体结构,梁毅教授研究团队提出,在SOD1错误折叠过程中,脱辅基SOD1亚基的一个a-螺旋和由8个b-折叠组成的b-桶状结构转变成SOD1纤维的13个b-折叠结构。这项研究首次在原子水平上揭示了SOD1由生理型向病理型结构转变的机制,启示不同的病理突变体在调节SOD1构象转化中可能发挥着不同的作用,并使得发展新的基于SOD1纤维结构的ALS治疗药物成为可能,为SOD1聚集体结构与致病功能的深入研究奠定了分子基础,具有重要的科学意义。

▲ 全长人SOD1纤维能够诱导细胞内的线粒体功能紊乱


▲ 全长人SOD1纤维的冷冻电镜结构


▲ 全长人SOD1纤维的原子结构模型


▲ 脱辅基人SOD1二聚体和SOD1纤维结构比较

  2022世界杯买球官方网站博士后王利强、中国科网站生物与化学交叉研究中心博士研究生马烨阳和2022世界杯买球官方网站2020级博士研究生袁菡烨为共同第一作者,梁毅教授和中国科网站生物与化学交叉研究中心刘聪教授为通讯作者,华中农业大学生命科学技术网站殷平教授、中国科网站生物与化学交叉研究中心博士研究生赵焜和买球官网土木建筑工程网站王正直副教授等参与了该项研究。这项研究工作得到了国家自然科学基金、国家科技部重点研发计划、中国博士后科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金等项目资助。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-31240-4


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