中國科學家解析朊病毒蛋白澱粉樣纖維冷凍電鏡結構

2020-12-08 生物谷

 

蛋白質錯誤摺疊與疾病的研究一直是生命科學領域的研究熱點之一。

北京時間2020年6月8日晚23時，《自然—結構與分子生物學》（Nature Structural & Molecular Biology）以長文（Article）形式在線發表了武漢大學團隊和中國科學院上海有機所交叉中心團隊的最新研究成果。

研究人員首次在原子水平上解析了全長朊病毒蛋白纖維的高解析度冷凍電鏡結構，揭示了細胞型朊蛋白向病理型朊病毒蛋白結構轉變的分子機制，為發展新的基於朊病毒蛋白纖維結構的prion疾病治療藥物奠定了基礎。

武漢大學生命科學學院教授梁毅和中國科學院上海有機所交叉中心教授劉聰為該論文的共同通訊作者，武漢大學生命科學學院博士生王利強和中國科學院上海有機所交叉中心博士生趙焜為該論文的共同第一作者，華中農業大學生命科學技術學院殷平教授和武漢大學生命科學學院博士生袁菡燁等參與了該論文的研究工作。

這項研究工作得到了國家自然科學基金委和科技部的資助。

全長人朊病毒蛋白纖維的冷凍電鏡結構

傳染性海綿狀腦病（TSE）或prion疾病是一類致死的神經退行性疾病，由朊病毒蛋白（PrP）在體內發生錯誤摺疊而引起，影響包括人在內的多種哺乳動物。

朊病毒蛋白由宿主基因PRNP編碼，正確摺疊的蛋白質不僅沒有致病性和感染性，還具有重要的生理功能；其錯誤摺疊後則會轉變為具有感染性的朊病毒(prions)，能夠使許多哺乳動物患病，給人類健康帶來了重大威脅。

1997年諾貝爾生理或醫學獎得主S. B. Prusiner教授最先描述了朊病毒，即蛋白質感染因子。

在人和其他哺乳動物中，常見的prion疾病有狂牛症（BSE）、羊瘙癢症（Scrapie）及人的克雅氏病（CJD）、致死性家族失眠症（FFI）和格斯特曼氏症候群（GSS），還有鹿科動物的慢性消耗病（CWD）等。

Prion疾病的主要病理特徵為PrP由細胞型朊蛋白（PrPC）轉變為病理型朊病毒蛋白（PrPSc），PrPSc和PrP的澱粉樣纖維可以作為模板誘導PrPC發生構象轉變。

「冷凍電鏡（Cryo-EM）技術為蛋白質錯誤摺疊與疾病帶來革命性的進展；解析PrPSc和全長PrP纖維的高解析度結構將為理解prion疾病的發病機制起到極大的推動。」論文指出。

但迄今為止，由於PrPSc和PrP纖維的不溶性和異質性，仍無高解析度的PrPSc和全長PrP纖維的結構，極大地限制了基於PrP纖維結構的prion疾病治療藥物的研發。

梁毅介紹，為了闡釋細胞型朊蛋白向病理型朊病毒蛋白轉變的結構基礎，在這項研究中，研究人員製備了高度均一的全長人朊蛋白澱粉樣纖維，並運用冷凍電鏡結合三維重構技術在原子水平上解析了全長朊病毒蛋白纖維的高解析度結構（2.70 ？），發現朊蛋白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25 nm，纖維核心直徑是14 nm，半個螺旋周期為78.5 nm。

進一步研究發現，PrP纖維核心主要由其C端的170-229組成，包含6個β-摺疊結構（從β1到β6）。

在PrP聚集過程中，兩股原纖維通過Lys194和Glu196之間形成的鹽橋發生相互作用，在其相互作用的界面處形成了一個親水腔。

對於這樣新奇的結構，研究人員對於其病理學意義進行了探索，發現在PrP纖維結構中形成鹽橋的三個關鍵胺基酸殘基Lys194、Glu196和Glu211都是與prion疾病相關聯的病理突變位點。

全長人朊病毒蛋白纖維的原子結構模型

人野生型PrPC和PrP纖維結構比較

基於上述結論，研究人員提出，在PrP錯誤摺疊過程中，PrPCC端的兩個α-螺旋轉變成PrP纖維的六個β-摺疊結構，Cys179和Cys214之間的二硫鍵起到了穩定澱粉樣纖維結構的作用。

該研究首次在原子水平上揭示了PrP由PrPC向PrPSc結構轉變的機制，啟示不同的病理突變體在調節朊病毒蛋白構象轉化中可能發揮著不同的作用，並使得發展新的基於PrP纖維結構的prion疾病治療藥物成為可能，為PrPSc結構與致病功能的深入研究奠定了分子基礎。(生物谷Bioon.com）

 

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