0.73?，最高解析度的結構揭示澱粉樣聚集蛋白功能性可逆的精密調控分子機制

責編丨迦 漵

蛋白質的澱粉樣聚集(amyloid)是一種普遍存在的蛋白質的自組裝形態。Amyloid最早被發現在各種神經退行經疾病（如阿爾茲海默病，帕金森病以及亨廷頓舞蹈症等）的病人腦中富集，並與相應疾病的發生髮展密切相關。近年來，除了新的致病澱粉樣聚集蛋白被發現外，越來越多的蛋白被發現需要組裝形成amyloid以執行特定的生物學功能，涉及到的重要生物學過程包括細菌生物膜的形成和維持，激素的儲存，長程記憶的維持以及細胞程序性壞死等等。這些研究推動和加深了人們對於amyloid的更全面和客觀的理解，其不僅是一個與疾病密切相關的致病性蛋白聚集體，也是執行多種生物功能的重要的蛋白有序自組裝形態。另外，amyloid的聚合體結構具有高度有序性、穩定性以及優良的理化性能，這使得amyloid被廣泛應用在多種生物納米材料的設計和研發中。因此,對於amyloid組裝的分子機理、結構基礎及其生理與病理的作用的研究一直是蛋白質領域、神經退行疾病以及生物材料領域研究的一個熱點。

近年來，蛋白質的液態-液態相分離（LLPS）作為一種蛋白質組裝形式被發現並廣泛關注。蛋白LLPS被發現在多種無膜細胞器（如壓力顆粒，核仁等）的動態組裝和維持中起到關鍵的作用。不同蛋白質LLPS是如何被介導和調控的是相關領域的一個核心問題。近期Cell和Science連續發表多篇論文，系統闡釋了RNA以及作具有分子伴侶活性的nuclear import receptor對於FUS（漸動人症ALS中關鍵致病蛋白）蛋白的LLPS調控的現象和機制【1，2】（李丕龍教授特評丨生物大分子的「相變」——簡談近期系列「相變」研究成果）。

有趣的是，多個在壓力顆粒中的關鍵蛋白（如FUS，TDP43以及hnRNPA1）除了具有很強的LLPS能力外，也被發現能夠形成amyloid。因為之前本領域對於amyloid的研究都只停留在致病的amyloid上，並發現其具有共同的高穩定的cross-beta結構，一旦形成很難解聚或受其他因素的動態調控。然而,形成壓力顆粒的LLPS是動態可逆並受高度調控的。因此，大家普遍認為這些蛋白的amyloid和LLPS是兩個相互對立的組裝狀態。Amyloid更傾向於與疾病關聯，而LLPS則是行使功能的。而由於研究技術手段的局限，對於這些受高度調控的壓力顆粒中的蛋白的amyloid的原子結構和自組裝的分子機制研究還是空白。

上海有機所生物與化學交叉中心的劉聰和上海交通大學李丹課題組近年來一直致力於與神經退行性疾病相關的致病amyloid的原子結構與功能研究，以及相應的生物納米材料的設計和應用，前期研究發現阿爾茲海默病關鍵致病蛋白Abeta的聚集核心的amyloid 的全新納米片層結構【3】。近期兩個課題組通過與清華大學李雪明研究員課題組的合作，於2018年4月在Nature Structural & Molecular Biology雜誌上發表了題為Atomic structures of FUS LC domain segments reveal bases for reversible amyloid fibril formation的文章。首次發現並表徵了具有高度可逆性及可調控性（包括磷酸化以及溫度調控）的amyloid的原子結構基礎，並證實高度可逆的amyloid在FUS蛋白的LLPS中起到重要的作用。

本研究發現與漸動人症密切相關的重要RNA結合蛋白FUS具有兩個能夠形成高度可逆amyloid的聚集核心多肽，之前鑒定並深入表徵的不可逆致病澱粉樣核心多肽有本質的區別。其可逆澱粉樣聚集的作用力介導FUS 的LC domain的LLPS，刪除兩段核心多肽序列嚴重影響FUS LC domain的LLPS。進一步，通過運用電子衍射和基於同步輻射的X射線衍射技術，本文作者解析出兩個核心可逆澱粉樣多肽的原子結構，這兩個多肽的原子結構與目前已知的澱粉樣多肽的結構有本質的區別。進一步結合生化實驗，揭示了磷酸化以及溫度調控兩個核心多肽的可逆聚集的原子結構基礎。為功能性可逆amyloid的精密調控以及其在LLPS的作用提供了重要的理論基礎。

值得一提的是，本工作除了在闡釋FUS產生的可逆amyloid的生物學意義外，在方法學上也有新的突破。由於可逆核心澱粉樣多肽只能形成納米級晶體，常規基於同步輻射的蛋白質晶體學方法不適用。本文作者發展出一整套基於低溫冷凍電子顯微鏡的蛋白質電子衍射方法，並運用此方法解析出解析度為0.73?的可逆澱粉樣多肽的超高解析度原子結構，此結構是目前運用電子顯微鏡解析出的最高解析度的蛋白及多肽的原子結構。本工作為推動電子衍射在蛋白質原子結構解析中的應用提供了基礎。

另外，除了本文介紹的可逆amyloid的工作，近期還有多篇針對具有重要生理及病理意義的amyloid原子結構研究的工作發表。其中一篇發表在Cell雜誌上的The Structure of the Necrosome RIPK1-RIPK3 Core, a Human Hetero-Amyloid Signaling Complex，通過固態核磁共振技術首次解析了RIPK1及RIPK3的hybrid amyloid結構，這個工作首次展示出兩個不同蛋白相互作用形成hybrid amyloid的原子結構【4】（Cell丨中美科學家合作揭示細胞程序性壞死的分子基礎）。

李丹及劉聰研究員受Cell雜誌邀請為上述文章撰寫了題為Better together：A Hybrid amyloid signals necroptosis的專題評述（preview）。深入分析並討論了RIPK1與RIPK3是如何通過精細控制聚集核心區的少數幾個氨基酸的特定類型、以及順序和特定排列來促使RIPK1和RIPK3形成穩定的hetero- 而不是homo- amyloid的。進一步提出hetero-amyloid在細胞程序性壞死過程中如何被起始和調控的後續科學問題。

隨著各種具有不同功能和生物學活性的amyloid的結構解析和動態組裝機制的深入研究。 相信對於amyloid這一眾多蛋白質所共有的一個蛋白自組裝狀態的研究和理解會更進一步。

參考文獻：

1. Maharana S, et al., RNA buffers the phase separation behavior of prion-like RNA binding proteins.Science. 2018 Apr 12.doi: 10.1126/science.aar7366.

2. Qamar S et al., FUS Phase Separation Is Modulated by a Molecular Chaperone and Methylation of Arginine Cation-π Interactions.Cell.2018 Apr 19;173(3):720-734

3. Dai. B et al., Tunable assembly of amyloid-formingprptidesinto nanosheets as a retrovirus carrier.Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 2015, 112, 2996-3001

4. Mompeán M et al., The Structure of the Necrosome RIPK1-RIPK3 Core, a Human Hetero-Amyloid Signaling Complex.Cell.2018 Apr 16.pii: S0092-8674(18)30312-X

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