科學家提出鋁對人體生物毒性的新分子機制

2020-11-28 生物谷

最近，中國科學院上海應用物理研究所宋波、高興宇、方海平研究員與中國石油大學黃方教授等通過多方合作，採用量子計算、經典分子動力學模擬與同步輻射能譜和X射線光電子譜(XPS)、圓二色譜(CD)、核磁共振譜(NMR)等譜學實驗相結合的方法，研究了鋁對蛋白結構的影響，提出了一種鋁對人體生物毒性的新分子機制。

鋁在日常生活中曾經得到廣泛應用：鋁鍋、鋁壺等餐具，油條、饅頭、麵條、膨化食品等等中含鋁的食品添加劑[例如，明礬(硫酸鋁鉀)]。到90年代，人們確認了鋁對人體有害，長期攝入，可能導致老年痴呆等神經系統的疾病，甚至影響兒童的生長、發育和智力。因此，不僅含鋁餐具被限制使用，近期，在饅頭、發糕等麵製品中也不再允許使用含鋁的食品添加劑。儘管如此，鋁如何與蛋白作用，導致生物毒性的分子機理依然不清楚。這嚴重阻礙了相關疾病的預防和治療。

宋波等根據鋁具有的離子鍵和共價鍵共存化學特性，提出：鋁離子能同時與神經退行性疾病相關的蛋白的骨架上的氮原子、氧原子同時形成化學鍵，導致環狀結構(如圖)，進而破壞蛋白的二級結構，使蛋白產生不可逆的變性和積聚。他們用PGK蛋白為例子，通過同步輻射能譜和XPS、CD、NMR等實驗證明了這一點：1）CD實驗顯示，鋁離子可以使PGK蛋白產生不可逆變性、積聚；2）同步輻射能譜和XPS實驗表明，蛋白積聚物上的鋁離子被顯著還原，與理論計算得到的鋁離子性質相一致；3）NMR實驗顯示，積聚物的蛋白骨架上存在氮原子與鋁離子的共價鍵。

由於分子機制的缺乏，長期以來金屬離子如何誘導蛋白積聚的研究進展緩慢。2011年，英國Keele大學Chris Exley教授在Nature評論中認為，如同「皇帝的新衣」一樣，鋁離子在近期的阿爾茨海默綜合症研究中被忽視，嚴重阻礙了該領域的發展。鋁離子與蛋白結合、在蛋白骨架上誘導的環狀結構，作為一種新的作用形式，為理解金屬離子與生物分子的作用機理提供了新視角，也對揭示大腦相關疾病的分子機制有重要意義。此研究成果有望在相關疾病的預防、藥物設計以及生物納米技術、環境治理等領域得到廣泛的應用。

該項研究工作由中科院上海應用物理研究所、中國石油大學、新加坡材料與工程研究所、新加坡大學、北京大學、中科院青島生物能源與過程研究所和美國IBM Thomas J. Watson 研究中心的研究人員合作完成，得到了中國科學院、國家自然科學基金委、國家科技部、中國科學院超級計算中心和上海超級計算中心的共同資助。 （生物谷Bioon.com）

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