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    39位磷酸化對α-突觸核蛋白纖維結構及聚集的調節機制

    α-突觸核蛋白(α-synuclein,α-syn)的錯誤折疊及聚集是包括帕金森癥(PD)、路易體癡呆(LBD)和多系統萎縮癥(MSA)在內的一系列突觸核蛋白病的主要病理特征。在體內α-syn 存在多種翻譯后修飾,如磷酸化、泛素化、糖基化等,其中磷酸化修飾最為常見,并與帕金森癥等疾病的發生、發展關系密切。近年的研究發現,α-syn蛋白N端39位酪氨酸(Y39)可以被c-Abl激酶磷酸化,該位點磷酸化水平在PD患者的腦組織和路易小體中也顯著增加。雖然有研究顯示在PD轉基因小鼠模型中,pY39 α-syn與脂質結合的能力降低,并導致神經毒性。然而,pY39 α-syn致病的分子機制尚不清楚,磷酸化等翻譯后修飾如何影響α-syn的結構、功能這一問題亟待探究。

    近日,清華大學化學系李艷梅課題組和上海有機化學研究所生物與化學交叉中心劉聰課題組合作,發現39位酪氨酸磷酸化修飾(pY39)影響α-syn的結構和聚集行為,并進一步闡釋了pY39 α-syn致病的分子機制和結構基礎。

    圖片來源:PNAS

    為研究pY39對α-syn 的影響,研究人員通過三片段表達蛋白連接法(EPL)合成了高純度、均一的 39位酪氨酸單位點磷酸化的 α-syn。與野生型α-syn相比,pY39 α-syn的聚集動力學和聚集形態發生了變化。在纖維種子(PFF)的誘導下,野生型α-syn 可以在約100 h到達聚集平臺,而pY39 α-syn 未能到達聚集平臺;此外,負染電子顯微鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM)均顯示pY39 α-syn 具有三種形態的聚集纖維,這與野生型 α-syn完全不同。在體外培養的細胞實驗中,pY39 α-syn也顯示出對內源性 α-syn聚集更強的誘導能力及更強的神經元毒性(圖1)。

    圖1. pY39 α-syn合成和病理學相關性質表征。圖片來源:PNAS

    為進一步探究pY39產生上述影響的原因,研究人員利用冷凍電鏡(cryo-EM)解析了pY39 α-syn的兩種纖維聚集體(Twist-dimer和Twist-trimer)的高分辨結構(圖2)。結果表明,pY39 α-syn的纖維聚集體結構與野生型有顯著差別。pY39 α-syn纖維聚集體折疊形成的Hook結構涉及α-syn的整個N端、NAC domain和一小段的C端(α-syn 1-100的殘基),而野生型 α-syn的纖維核心結構大多由40個殘基參與。二者的重要差別在于此前α-syn纖維結構報道中,其N端和C端相對比較柔性,不參與到核心纖維結構中,而pY39可以誘導α-syn纖維結構重排使N端參與到纖維核心結構中。另外,pY39 改變了α-syn N端的電荷并能穩定多個賴氨酸殘基,從而使纖維核心結構中形成親水通道。同時N端參與了聚集核心結構,可能保護α-syn 免受蛋白酶的降解,使pY39 α-syn 更難被細胞清除。

    圖2.  pY39 α-syn 原纖維聚集體的Cryo-EM結構。圖片來源:PNAS

    綜上,這項工作探索了pY39翻譯后修飾如何調控α-syn的聚集行為和病理毒性。揭示了翻譯后修飾對于淀粉樣蛋白結構及病理特征調控的重要意義,并為神經退行性疾病中病理作用研究提供了新思路。

    這一成果近期發表在PNAS 上,文章的第一作者是中國科學院大學博士研究生趙焜、劉振穎和清華大學博士研究生林業竣。


    Parkinson’s disease-related phosphorylation at Tyr39 rearranges α-synuclein amyloid fibril structure revealed by cryo-EM

    Kun Zhao#, Yeh-Jun Lim#, Zhenying Liu#, Houfang Long, Yunpeng Sun, Jin-Jian Hu, Chunyu Zhao, Youqi Tao, Xing Zhang, Dan Li, Yan-Mei Li*, Cong Liu*

    PNAS, 2020, DOI: 10.1073/pnas.1922741117



    導師介紹

    李艷梅

    https://www.x-mol.com/university/faculty/12008

    劉聰

    https://www.x-mol.com/university/faculty/60195

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