复旦课题组发现神经退行性疾病致病蛋白可溶性单体的“多态性”

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最近,复旦大学生命科学学院陆伯承的研究小组利用点击化学和均相时间分辨荧光,建立了同一疾病蛋白不同构象与其降解率之间的关系,从一个新的角度揭示了神经退行性疾病的可能机制。相关研究结果发表在《自然化学生物学》在线(自然化学生物学)。

大多数神经退行性疾病可能主要由特定致病蛋白的“错误折叠”引起。蛋白质的三维结构“正常折叠”是由蛋白质的氨基酸序列决定的。这被称为安芬森法则,并获得了1972年诺贝尔奖。法律也是结构生物学的基础。神经退行性疾病的致病蛋白通常被“错误折叠”形成低聚物和不溶性聚合物,这导致神经毒性并最终导致疾病。然而,除了形成聚集体之外,疾病蛋白的可溶性单体是否也会违反安芬森定律,通过“错误折叠”产生各种不同的构象(多态性),从而产生不同的毒性并导致疾病,这是关于疾病发病机理的一个基本问题,尚未有报道。

目前的结构生物学方法无法在细胞不变性的情况下分析特定靶蛋白的精细结构,而在体外条件下无法获得蛋白质折叠的各种构象,也无法进一步分析各种构象可能的功能(毒性)差异。蛋白质构象和蛋白质毒性之间的关系非常复杂。卢伯承的研究小组巧妙地将蛋白质降解率作为一个全新的研究切入点。一方面,蛋白质构象可能影响其降解速率,而同一细胞的不同降解速率表明不同的蛋白质构象。另一方面,蛋白质降解是蛋白质功能的最终调节。芬克贝纳尔实验室(Finkbeiner laboratory)的研究结果表明,疾病蛋白的降解速率与其神经毒性有非常显着的负相关,即降解越慢,毒性越大。因此,蛋白质降解速率可能是蛋白质构象与毒性相关性的关键。

Lubbock的研究小组选择亨廷顿蛋白(mHTT)作为探索这个问题的研究对象,亨廷顿蛋白是亨廷顿氏病的一种变异体,导致一种重要的遗传性神经退行性疾病。亨廷顿氏病是四大神经退行性疾病之一,主要由疾病蛋白mHTT的神经毒性引起。由于突变,MHTT含有一个长的聚谷氨酰胺序列(polyQ),导致疾病。有趣的是,有间接的证据表明,不同的polyQ抗体识别的mHTT可能具有不同的毒性,但其机制尚不清楚。陆伯承的研究小组建立了一种基于点击化学和均相时间分辨荧光的蛋白质降解率测量方法CH-chase,并成功地利用这种方法检测了患者同一细胞样本中不同polyQ抗体识别的不同构象的mHTT可溶性单体的降解率。研究发现,polyQ抗体3B5H10识别的mHTT构象的降解率明显低于其他polyQ抗体的降解率,从而直接证明了不同polyQ类型的存在。进一步的机制研究发现,赖氨酸63这种构象的泛素化在患者细胞和脑组织中几乎不存在,因此它不能被选择性自噬衔接蛋白p62识别,因此它不能被选择性自噬降解,因此降解速度减慢,导致更高的毒性。

本研究揭示了神经退行性疾病蛋白可溶性单体的构象是“多态的”,这种构象导致不同的降解速率,从而导致不同的毒性。这一发现不仅刷新了科学家对疾病机制的理解,也为治疗疾病提供了新的思路:例如,可以发现化合物迫使疾病蛋白质从缓慢降解的构象转变为快速降解的构象,从而治疗疾病。这一发现还揭示了选择性自噬比科学家以前知道的更具选择性:它不仅能识别特定的蛋白质降解,还能识别同一蛋白质的不同构象。

复旦大学博士后研究员傅育华、硕士研究生吴鹏、潘余音和年轻副研究员孙晓丽被列为本文的第一作者,陆伯承是唯一的相关作者