近日，上?？萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院孫博課題組與中國(guó)科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心劉聰課題組及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)侯中懷課題組合作，在小分子及致病突變調(diào)控帕金森病相關(guān)α-突觸核蛋白（α-synuclein，α-syn）淀粉樣纖維的分子機(jī)制研究中取得系列進(jìn)展，相關(guān)成果分別發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）和《聚集體》（Aggregate）。

帕金森病和阿爾茲海默病等神經(jīng)退行性疾病嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康，其核心病理特征之一是淀粉樣纖維（amyloid fibrils）的異常聚集，其中最具代表性的蛋白包括α-syn、Tau和Aβ。這些蛋白聚集體不僅作為疾病的病理標(biāo)志物以多種構(gòu)象存在，還在神經(jīng)炎癥、細(xì)胞損傷及疾病傳播過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此，科學(xué)界圍繞如何利用化學(xué)小分子干預(yù)或破壞這些病理淀粉樣纖維開(kāi)展了廣泛研究。近年來(lái)，冷凍電鏡（Cryo-EM）技術(shù)的突破顯著推動(dòng)了對(duì)這些病理性纖維原子結(jié)構(gòu)的理解，但其通常依賴(lài)于對(duì)成千上萬(wàn)條病理纖維的靜態(tài)平均信息。目前，對(duì)于單個(gè)病理性纖維在溶液中的力學(xué)特性及其與化學(xué)小分子的相互作用仍知之甚少。

圖1. α-Syn原纖維的單分子檢測(cè)。A. 生物素化α-syn原纖維組裝示意圖；B. TEM 檢測(cè)生物素化原纖維；C. 單分子實(shí)驗(yàn)流程圖以及代表性熒光圖像。

研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于光鑷和熒光顯微成像結(jié)合的研究方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)α-syn淀粉樣纖維在單分子水平的力學(xué)特性表征（圖1）。第一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，α-syn纖維是一種高度剛性的生物聚合物。在軸向應(yīng)力作用下，α-syn原纖維會(huì)出現(xiàn)局部變形，隨后被完全破壞。值得一提的是，其形變和斷裂特性具有顯著的異質(zhì)性。結(jié)合冷凍電鏡結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，小分子表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯（EGCG）可嵌入α-syn纖維N端極性溝槽，破壞纖維核心穩(wěn)定性，誘導(dǎo)纖維解聚；而小分子葉綠素銅A（CCA）通過(guò)結(jié)合α-syn纖維的多個(gè)不同位點(diǎn)，提高其抗斷裂能力，使纖維更加穩(wěn)定。

圖2. 野生型與突變型α-syn原纖維對(duì)比。A. α-syn原纖維的原子結(jié)構(gòu)模型；B. 動(dòng)力學(xué)模擬軸向拉伸淀粉樣纖維；C. α-syn原纖維的力學(xué)拉伸曲線(xiàn)。

另一項(xiàng)研究進(jìn)一步利用該單分子方法定量對(duì)比了野生型和兩種家族性帕金森病致病型突變α-syn原纖維（E46K和A53T）的力學(xué)特性（圖2）。與野生型α-syn原纖維相比，E46K和A53T突變纖維在軸向破壞應(yīng)力下表現(xiàn)出更差的穩(wěn)定性。冷凍電鏡結(jié)構(gòu)和分子動(dòng)力學(xué)模擬分析表明纖維中的β-折疊結(jié)構(gòu)以及橫向界面在穩(wěn)定纖維結(jié)構(gòu)中起主導(dǎo)作用。此外，E46K突變纖維由于其靈活的外圍結(jié)構(gòu)，更易在發(fā)生局部變形。

這兩項(xiàng)研究為神經(jīng)退行性疾病致病淀粉樣蛋白聚集的機(jī)制、發(fā)展及其干預(yù)策略提供了全新視角，在單分子水平闡明了α-syn原纖維的結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性的關(guān)系，為研究多構(gòu)象病理性淀粉樣纖維及小分子相互作用提供了通用性平臺(tái)，有助于更精準(zhǔn)地理解淀粉樣纖維在疾病中的作用，為未來(lái)開(kāi)發(fā)帕金森病等神經(jīng)退行性疾病的新型治療藥物分子提供了新的線(xiàn)索。

在第一項(xiàng)工作中，上海交通大學(xué)Bio-X研究院博士生李想以及上科大生命學(xué)院助理研究員畢路路為共同第一作者，孫博教授和劉聰研究員為共同通訊作者；在第二項(xiàng)工作中，上科大生命學(xué)院助理研究員畢路路，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生李林格以及上海交通大學(xué)Bio-X研究院博士生李想為共同第一作者，劉聰研究員、侯中懷教授以及孫博教授為共同通訊作者。

論文鏈接：1. Single-molecule insight into α-synuclein fibril structure and mechanics modulated by chemical compounds

https://doi.org/10.1002/advs.202416721

2. Bridging mechanical properties with atomic structures of polymorphic α-synuclein fibrils by single-molecule analysis and molecular dynamics simulations

https://doi.org/10.1002/agt2.70023