梁毅課題組揭示朊病毒蛋白病理聚集多態(tài)性分子機(jī)制
9月8日，《Science Advances》（影響因子14.136）以長(zhǎng)文（Research Article）形式在線發(fā)表梁毅教授的最新研究成果，該工作在原子水平上解析了朊病毒蛋白病理突變體E196K纖維的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了朊病毒蛋白病理聚集多態(tài)性的分子機(jī)制。
論文題為“Genetic prion disease—related mutation E196K displays a novel amyloid fibril structure revealed by cryo-EM”(家族遺傳性prion疾病相關(guān)病理突變體E196K淀粉樣纖維的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)及功能)，武漢大學(xué)為第一署名單位，生命科學(xué)學(xué)院博士后王利強(qiáng)、中國(guó)科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心博士研究生趙焜和武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2020級(jí)博士研究生袁菡燁為共同第一作者，梁毅教授和中國(guó)科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心劉聰教授為通訊作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院殷平教授和武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2019級(jí)博士研究生李香凝等參與了該論文的研究工作。這項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和國(guó)家科技部的資助。
由朊病毒蛋白（PrP）在體內(nèi)發(fā)生錯(cuò)誤折疊所導(dǎo)致的傳染性海綿狀腦?。ㄓ址Qprion疾?。┦且环N慢性并可在多種哺乳動(dòng)物之間傳播的致死性神經(jīng)退行性疾病。1997年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主Prusiner S. B.最先描述了朊病毒（prions），即蛋白質(zhì)感染因子。根據(jù)發(fā)病特征，Prion疾病分為散發(fā)性、家族遺傳性和感染性三種類型，家族遺傳性prion疾病的發(fā)生與朊蛋白基因PRNP的突變密切相關(guān)，已發(fā)現(xiàn)引起家族遺傳性prion疾病的PrP突變位點(diǎn)共33個(gè)，包含42種家族遺傳性prion疾病。這些不同的病理突變體可以形成朊病毒不同的株型，引起不同的臨床癥狀，導(dǎo)致不同疾病的發(fā)生，如克雅氏?。–reutzfeldt-Jakob disease, CJD）、致死性家族失眠癥（fatal familial insomnia, FFI）和格斯特曼氏綜合征（Gerstmann-Str?ussler-Scheinker disease, GSS）等。
在野生型人朊病毒蛋白纖維冷凍電鏡結(jié)構(gòu)及功能前期工作（2020年6月8日發(fā)表于Nature Structural & Molecular Biology（《自然·結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》）中，梁毅教授研究團(tuán)隊(duì)解析了全長(zhǎng)野生型朊蛋白纖維的結(jié)構(gòu)，首次在原子水平上揭示了PrP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，啟示不同的病理突變體在調(diào)節(jié)朊病毒蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)化中可能發(fā)揮著不同的作用。然而朊病毒蛋白病理聚集多態(tài)性的分子機(jī)制是什么仍是困擾科學(xué)界的謎題。
基于前期積累，該研究在原子水平上解析了朊病毒蛋白病理突變體E196K纖維的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（3.07 ?），發(fā)現(xiàn)E196K纖維核心主要由其C端的175-217組成。E196K纖維由兩股原纖維以左手螺旋的方式纏繞而成，纖維寬度為22 nm，纖維核心直徑是11 nm，半個(gè)螺旋周期為126.4 nm。E196K纖維每股原纖維的核心包含5個(gè)b-折疊結(jié)構(gòu)（從b1到b5）。在E196K聚集過程中，兩股原纖維通過來自兩個(gè)亞基的Lys194和Glu207之間以及Lys196和Glu200之間形成的4對(duì)鹽橋發(fā)生相互作用，形成一個(gè)長(zhǎng)的之字形相互作用界面。同時(shí)，對(duì)于E196K纖維每個(gè)亞基包含一個(gè)親水腔這樣新奇的結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)于其病理學(xué)意義進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)E196K纖維也能和剛果紅結(jié)合，而且其蛋白酶抗性和構(gòu)象穩(wěn)定性均顯著低于野生型PrP纖維。這項(xiàng)工作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在E196K錯(cuò)誤折疊過程中，E196K PrPC C端的兩個(gè)a-螺旋轉(zhuǎn)變成E196K纖維的五個(gè)b-折疊結(jié)構(gòu)，Cys179和Cys214之間的二硫鍵起到了穩(wěn)定淀粉樣纖維結(jié)構(gòu)的作用。
這項(xiàng)工作的研究結(jié)果首次揭示了E196K纖維和野生型PrP纖維之間的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)差異：(1) E196K纖維形成的是親水空腔，而野生型PrP纖維則形成了疏水空腔；(2) E196K纖維形成的是既包含親水又包含疏水的原纖維界面，而野生型PrP纖維則形成了短的親水原纖維界面；(3) E196K纖維形成了5個(gè)b-折疊結(jié)構(gòu)，而野生型PrP纖維形成了6個(gè)b-折疊結(jié)構(gòu)；(4) E196K纖維相較野生型纖維具有更不穩(wěn)定的構(gòu)象。這項(xiàng)研究在原子水平上揭示了朊病毒株型形成分化的機(jī)制，證明不同株型的家族性病理突變能夠破壞朊病毒蛋白纖維中重要的相互作用（例如鹽橋），使得這些病理突變體纖維結(jié)構(gòu)形成了完全不同于野生型朊病毒蛋白纖維的構(gòu)象，因此不同的病理突變體在調(diào)節(jié)朊病毒蛋白構(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PrP纖維結(jié)構(gòu)的prion疾病治療藥物成為可能，為PrPSc結(jié)構(gòu)與致病功能的深入研究和回答“朊病毒株型是怎么形成的”奠定了分子基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義。
▲ E196K纖維和野生型PrP纖維的成像比較
▲ E196K淀粉樣纖維的原子結(jié)構(gòu)模型
▲ 人PrPC和E196K纖維、野生型PrP纖維以及263K朊病毒纖維結(jié)構(gòu)比較
研究工作得到了多個(gè)研究機(jī)構(gòu)的支持：中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)所生物與化學(xué)交叉研究中心劉聰團(tuán)隊(duì)對(duì)于結(jié)構(gòu)解析提供了支持，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院殷平團(tuán)隊(duì)提供了冷凍電鏡技術(shù)方面的支持。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg9676
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