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武漢大學(xué)梁毅教授團(tuán)隊和中國科學(xué)院上海有機(jī)所交叉中心劉聰研究員團(tuán)隊合作，在 Nature Communications 期刊發(fā)表了題為：Cryo-EM structure of an amyloid fibril formed by full-length human SOD1 reveals its conformational conversion 的研究論文。 該研究率先解析了銅鋅超氧化物歧化酶（SOD1）纖維的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了漸凍癥（ALS）致病蛋白質(zhì) SOD1 構(gòu)象轉(zhuǎn)化分子機(jī)制，為發(fā)展新的基于 SOD1 纖維結(jié)構(gòu)的 ALS 治療藥物奠定了基礎(chǔ)。  肌萎縮側(cè)索硬化癥（Amyotrophic lateral sclerosis，ALS）又稱漸凍癥，是一種進(jìn)行性的、致命的神經(jīng)退行性疾病，其主要癥狀表現(xiàn)為運(yùn)動皮層、腦干以及脊髓中的上、下運(yùn)動神經(jīng)元進(jìn)行性的退化，它們的退化伴隨而來的是肌無力、肌肉萎縮導(dǎo)致的癱瘓，以及最終因為呼吸衰竭而導(dǎo)致的死亡。SOD1 和 TAR DNA 結(jié)合蛋白43（TDP-43）在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)動神經(jīng)元形成纖維樣聚集體是 ALS 的重要病理特征之一。 SOD1 主要位于細(xì)胞質(zhì)中，也存在于細(xì)胞核和線粒體膜間隙中，是真核細(xì)胞抵抗活性氧（ROS）的抗氧化應(yīng)激酶系中的重要成員，SOD1 是最早被鑒定出與家族遺傳型 ALS 相關(guān)的致病基因。隨著年齡的增大，細(xì)胞中特別是 SOD1 半衰期較長的運(yùn)動神經(jīng)元細(xì)胞中，SOD1 受到損傷的風(fēng)險增大，極易發(fā)生病變，造成 ALS 等相關(guān)神經(jīng)退行性疾病。 在野生型朊蛋白及其病理突變體 E196K 淀粉樣纖維冷凍電鏡結(jié)構(gòu)及功能前期工作（2020年6月8日和2021年9月9日分別發(fā)表于 Nat. Struct. Mol. Biol. 2020, 27, 598-602）和 Sci. Adv. 2021, 7, eabg9676）中，梁毅與劉聰團(tuán)隊合作解析了全長野生型朊病毒蛋白纖維和全長 E196K 纖維的結(jié)構(gòu)，首次在原子水平上揭示了朊蛋白由細(xì)胞型朊蛋白（PrPC）向病理型朊病毒蛋白（PrPSc）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的機(jī)制，揭示了朊病毒蛋白病理聚集多態(tài)性的分子機(jī)制。SOD1 是一種類朊病毒蛋白，然而非常穩(wěn)定的天然 SOD1 蛋白到底是怎么轉(zhuǎn)化為具有致病結(jié)構(gòu)的 SOD1 的仍是困擾科學(xué)界的謎題。 “冷凍電鏡（Cryo-EM）技術(shù)為蛋白質(zhì)錯誤折疊與疾病帶來革命性的進(jìn)展，解析全長 SOD1 纖維的高分辨率結(jié)構(gòu)將為理解 ALS 的發(fā)病機(jī)制起到極大的推動作用?！闭撐淖髡咧赋?。 但迄今為止，由于 SOD1 纖維的不溶性和異質(zhì)性，仍無高分辨率的全長 SOD1 纖維的結(jié)構(gòu)，極大地限制了基于 SOD1 纖維結(jié)構(gòu)的 ALS 治療藥物的研發(fā)。 梁毅介紹，為了闡釋 SOD1 由生理型向病理型轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在這項研究中，研究人員制備了高度均一的全長人 SOD1 淀粉樣纖維，發(fā)現(xiàn)這些纖維具有顯著的細(xì)胞毒性，能夠誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)的線粒體功能紊亂，并運(yùn)用冷凍電鏡結(jié)合三維重構(gòu)技術(shù)在原子水平上解析了全長 SOD1 纖維的高分辨率結(jié)構(gòu)（2.95 ?），發(fā)現(xiàn) SOD1 纖維由單股原纖維以左手螺旋的方式纏繞而成，纖維寬度為12.3 nm，纖維核心直徑是11 nm，半個螺旋周期為73.1 nm。纖維核心的疏水氨基酸側(cè)鏈向內(nèi)折疊形成5個疏水空腔，起到了穩(wěn)定淀粉樣纖維結(jié)構(gòu)的作用。  圖1：全長人SOD1纖維的冷凍電鏡結(jié)構(gòu) 圖2：全長人SOD1纖維的原子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SOD1 纖維核心由其 N 端的3-55區(qū)域和 C 端的86-153區(qū)域組成，而且這兩個區(qū)域主要通過 Lys36 和 Asp109 之間、His43 和 Asp101 之間以及 His46 和 Glu100 之間形成的3對鹽橋緊密結(jié)合在一起。 對于這樣新奇的結(jié)構(gòu)，研究人員對于其病理學(xué)意義進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)在 SOD1 纖維結(jié)構(gòu)中形成鹽橋的五個關(guān)鍵氨基酸殘基 His43、His46、Glu100、Asp101 和 Asp109 都是與 ALS 相關(guān)聯(lián)的病理突變位點(diǎn)。 通過比較脫輔基 SOD1 二聚體結(jié)構(gòu)，研究人員提出，在 SOD1 錯誤折疊過程中，脫輔基 SOD1 亞基的一個α-螺旋和由8個β-折疊組成的β-桶狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成 SOD1 纖維的13個β-折疊結(jié)構(gòu)。  圖3：脫輔基人SOD1二聚體和SOD1纖維結(jié)構(gòu)比較 該研究首次在原子水平上揭示了 SOD1 由生理型向病理型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的機(jī)制，啟示不同的病理突變體在調(diào)節(jié) SOD1 構(gòu)象轉(zhuǎn)化中可能發(fā)揮著不同的作用，并使得發(fā)展新的基于 SOD1 纖維結(jié)構(gòu)的 ALS 治療藥物成為可能，為 SOD1 聚集體結(jié)構(gòu)與致病功能的深入研究奠定了分子基礎(chǔ)。 武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院梁毅教授和中國科學(xué)院上海有機(jī)所交叉中心劉聰研究員為該論文的共同通訊作者；武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后王利強(qiáng)、中國科學(xué)院上海有機(jī)所交叉中心博士生馬燁陽和武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生袁菡燁為共同第一作者；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院殷平教授、中國科學(xué)院上海有機(jī)所交叉中心博士生趙焜和武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院王正直副教授等參與了該論文的研究工   |
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