α-突触核蛋白（α-syn）作为帕金森病（PD）、路易体痴呆（DLB）、多系统萎缩（MSA）等神经退行性疾病的关键致病蛋白，具有在不同条件下形成不同结构和病理毒性的淀粉样纤维聚集的能力。近期研究发现，来自MSA，PD及DLB患者脑中的α-syn 病理纤维结构均含有不同的化学配体通过与附近氨基酸残基的非共价作用参与特定α-syn聚集纤维构象的形成【1, 2】。尽管这些化学配体尚未获得鉴定，但其显然与α-syn纤维的构象选择以及病理毒性高度相关。因此，不同的化学配体如何影响α-syn病理聚集并决定纤维结构是本领域的一个重要的前沿科学问题。
近日，上海交通大学Bio-X研究院李丹课题组和中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心刘聪课题组合作在Nature Communications上发表标题为Heparin induces α-synuclein to form new fibril polymorphs with attenuated neuropathology的最新研究成果。在此项工作中，研究人员报道了富含负电的糖胺聚糖——肝素（heparin）能够高效的诱导α-syn形成全新构象的聚集纤维复合物（hep-α-syn）。有趣的是，hep-α-syn纤维复合物通过削弱α-syn纤维被细胞摄取的效率以及播种能力减弱其在神经元上的病理毒性。进一步的机制研究发现，heparin作为长链生物多聚物能够通过在分子内和原纤维间水平上重排α-syn的电荷互作模式来调控α-syn纤维的折叠和组装，从而诱导产生具有全新结构的α-syn纤维构象。此项工作揭示了化学配体在调控病理淀粉样纤维的构象选择和病理毒性中的重要作用。
在本工作中，研究人员首先发现相比于apo-α-syn对照组，糖胺聚糖heparin显著加速了α-syn单体的聚集纤维化速率，并诱导其形成具有截然不同形态的hep-α-syn纤维（图1）。更为重要的是，具有新颖形态的hep-α-syn纤维与apo-α-syn纤维对比，在神经元水平呈现出显著降低的病理毒性（图1）。通过更细致的表征hep-α-syn纤维复合物的“病理功能画像”（pathological profile）【3】，研究人员发现heparin诱导产生纤维神经病理毒性的降低是通过三个方面来实现的，包括：（1）削弱纤维与神经元细胞表面结合；（2）降低纤维被神经元细胞摄取的效率；（3）抑制纤维在神经元中播种和诱导内源α-syn聚集的能力。
图1. Heparin诱导促进α-syn形成全新纤维构象，并呈现显著降低的神经元毒性。
进一步，通过冷冻电镜（cryo-EM）三维螺旋重构技术，研究人员解析了hep-α-syn纤维的高分辨率电镜结构，发现其由4种不同的纤维构象（polymorphs）构成（分别命名为Hep-P1，Hep-P2，Hep-P3，以及Hep-P4）。值得注意的是，在hep-α-syn的polymorphs结构中可以明确地观察到存在于α-syn纤维周围或原纤维界面的额外密度，这些密度靠近α-syn表面的赖氨酸（Lys）残基（图2）。通过分子对接，搭建了heparin和α-syn纤维相互作用的原子模型，发现作为富含负电的生物聚合物，heparin能够通过其磺酸基团沿纤维轴结合在由Lys形成的正电表面上（图2）。
图2. Heparin诱导α-syn形成具有构象多态性的纤维原子结构分析。
通过进一步的分析，研究人员发现Hep-P1，Hep-P2以及Hep-P3的原纤维核心结构与体外重构的α-syn polymorph 2相似，然而heparin与Lys的电荷相互作用稳定了这些polymorphs的原纤维组装界面，从而介导了新的polymorphs形成。在Hep-P1中，heparin稳定了α-syn的单股原纤维表面；而在Hep-P3中，heparin介导两股原纤维形成新的组装界面（图3）。此外，heparin通过诱导分子内的结构重排，使Hep-P4折叠成全新的“Z”形构象。Heparin与Lys80的静电相互作用使其暴露于溶剂中，并阻止了N端的包裹。有趣的是，Hep-P4纤维核心的N端具有与α-syn Polymorph 2相似的拓扑结构，其C端具有与α-syn Polymorph 1相似的拓扑结构，从而使其表现为α-syn纤维结构中两种常见“构象原型”（prototype）的混合体纤维构象。
图3. Heparin诱导α-syn形成不同polymorphs的机制示意图。
综上，本工作通过对hep-α-syn纤维复合物的动态组装机制、细胞毒性以及纤维原子结构的系统研究，阐释了糖胺聚糖作为一种特定形式的化学配体是如何通过复杂的非共价相互作用调控病理淀粉样纤维的折叠和组装，并影响其病理毒性。本工作为理解其它生物大分子诱导病理淀粉样纤维聚集体在神经退行性疾病中的演化和病理作用提供了基础, 并为设计与发展化学配体抑制神经退行性疾病关键蛋白聚集体的病理毒性提供了新的思路。
上海交通大学Bio-X研究院博士研究生陶友琦和中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心博士研究生孙云鹏为该论文的共同第一作者。论文的合作单位有上海交通大学Bio-X研究院、中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心、浙江大学生命科学学院，以及四川省人民医院神经病学研究所。
参考文献
1. Schweighauser, M. et al. Structures of α-synuclein filaments from multiple system atrophy. Nature 585, 464-469 (2020).
2. Yang, Y., et al. Cryo-EM structures of α-synuclein filaments from Parkinson's disease and dementia with Lewy bodies. bioRxiv. https://doi.org/10.1101/2022.07.12.499706 (2022).
3. Li, D., & Liu, C. Conformational strains of pathogenic amyloid proteins in neurodegenerative diseases. Nature Reviews Neuroscience, 1-12 (2022).
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31790-7
