冷凍電鏡解析朊病毒蛋白病理聚集多態性

　　中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉中心劉聰課題組與武漢大學梁毅課題組合作在Science Advances上在線發表題為Genetic prion disease–related mutation E196K displays a novel amyloid fibril structure revealed by cryo-EM的研究成果。該工作利用冷凍電鏡技術解析了全長朊病毒蛋白家族遺傳病理性突變體E196K蛋白纖維的近原子分辨率結構，發現了E196K突變通過破壞野生型朊病毒蛋白病理纖維中的關鍵相互作用力，導致了纖維結構的重排，進一步揭示了不同朊病毒蛋白病理突變體聚集多態性的分子機制。

　　Prion疾病是一類由朊病毒蛋白（prion protein, PrP）發生錯誤折疊，聚集形成致病性的朊病毒（PrPSc）導致的具有高致死率的神經退行性疾病，該疾病可在多種動物包括人類之間傳播。其病理特征主要為細胞中具有正常構象的朊蛋白（PrPC）發生錯誤折疊形成病理型的朊病毒蛋白（PrPSc）。Prion疾病分為散發性、家族遺傳性和感染性三種類型，家族遺傳性prion疾病的發生與朊蛋白基因的突變密切相關。已發現引起家族遺傳性prion疾病的PrP突變位點共33個，包含42種不同氨基酸的突變。這些不同的病理突變體可以形成多種不同的朊病毒株型，引發不同的臨床癥狀，導致不同疾病的發生，如克雅氏病（Creutzfeldt-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-Straussler-Scheinker disease, GSS）等。然而，病理性突變體是如何改變朊病毒蛋白結構的？不同的朊病毒蛋白病理性突變體如何引起不同的病理臨床癥狀？這些都是領域內尚未解決的重要科學問題。

　　在本研究中，研究人員對克雅氏病（CJD）家族性突變位點E196K進行研究。研究人員制備了高度均一、分散的全長人源朊蛋白病理突變體E196K淀粉樣纖維，并進一步運用冷凍電鏡技術在近原子水平上解析了E196K纖維的高分辨率冷凍電鏡結構（3.04 埃）。研究發現，E196K突變破壞了野生型朊病毒纖維中的關鍵相互作用力，導致了纖維結構的重排，形成了與野生型朊病毒纖維完全不同的結構。該結構由兩根原纖維以左手螺旋的方式纏繞而成，纖維核心寬度約為11 nm，半螺旋周期為126.4 nm（圖1）。

　　圖1：E196K纖維冷凍電鏡結構

　　研究人員進一步發現E196K纖維核心主要由其C端的175-217組成，包含5個β-折疊結構。在E196K纖維結構中，來自兩個亞基的Lys194、Lys196、Glu200和Glu207組成四對鹽橋，形成了一個同時包含親水氨基酸和疏水氨基酸的鋸齒形相互作用界面（圖2）。該研究揭示了朊病毒蛋白病理突變體引起聚集纖維多態性的分子機制，為發展相關診斷和治療手段提供了分子基礎，具有較為重要的科學意義。

　　圖2：E196K纖維與野生型纖維的結構對比

　　上述工作由中科院上海有機所生物與化學交叉研究中心劉聰研究員和武漢大學梁毅教授為共同通訊作者，梁毅課題組博士王利強、博士研究生袁菡燁和劉聰課題組博士研究生趙焜為共同第一作者。研究經費主要來自國家自然科學基金委和國家科技部的資助。