PNAS：科学家揭示渐冻人的一个病因

最近，由美国斯克里普斯研究所（TSRI）、劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和其他机构开展的一项最新研究，揭示了肌萎缩性侧索硬化症（ALS，也称为Lou Gehrig病）的一个原因。相关研究结果发表在最近的《PNAS》杂志。

　　

生物通报道：最近，由美国斯克里普斯研究所（TSRI）、劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和其他机构开展的一项最新研究，揭示了肌萎缩性侧索硬化症（ALS，也称为Lou Gehrig病）的一个原因。

TSRI结构生物学教授、伯克利实验室资深科学家John A. Tainer，与TSRI教授Elizabeth Getzoff是本文的共同资深作者。Tainer称：“我们的工作支持一个共同的主题，即蛋白质稳定性的丧失会导致疾病。”

Getzoff、Tainer及其同事，专注于突变对SOD蛋白（超氧化物歧化酶）一个编码基因的影响，他们将相关研究结果发表在最近的《PNAS》杂志。该研究提供证据表明，这些与更严重疾病形式相关的蛋白质，在结构上更加不稳定，更容易形成集群或聚合物。

Getzoff称：“这里的建议是，稳定SOD蛋白的策略，可能对治疗或预防SOD相关的ALS是有用的。”

高危群体以青壮年为主
ALS因高危群体以青壮年为主而臭名昭著。该疾病首次引起公众关注，是在其折磨棒球明星Lou Gehrig的时候，他在1941年死于这种疾病，只有38岁。最近，ALS协会的“冰桶挑战赛”已经提高了公众对这种疾病的关注。

ALS可破坏肌肉控制神经元，最终破坏那些控制呼吸的神经元。根据美国疾病控制和预防中心的数据显示，在任一时间，大约有10000名美国人患上这种疾病，但是在症状出现的几年内，这种疾病几乎总是致命的。

SOD1突变，是ALS中研究最多的因子，见于大约四分之一的遗传性ALS案例和7%的普通“分散”ALS案例中。SOD相关的ALS有接近200种变体，每个都与一个独特的SOD1突变相关。然而，科学家们仍然不赞同，几十种不同的SOD1突变都会引起同样的疾病。

SOD1相关的ALS形式一个共同特征是，在受影响的运动神经元及其支持细胞中出现SOD集群或聚合物。即使在与SOD1突变无关的ALS案例中，SOD与其他蛋白质的聚集，也存在于受影响的细胞中。

在2003年，Tainer、Getzoff及其同事，基于他们和其他人对于突变SOD蛋白的研究，提出了“框架失稳”假说。以这种观点，ALS相关的突变SOD1基因，都编码结构不稳定的SOD蛋白质形式。不可避免地，这些不稳定的SOD蛋白质当中有一些会失去其正常折叠，足以暴露通常隐藏的粘性元件，而且它们开始彼此相互聚集在一起，能够保持比神经元净化系统更快的速度，聚集的SOD聚合物会以某种方法触发疾病。

更快凝聚，加重疾病
在这项新研究中，Tainer和Getzoff实验室及其合作者，采用先进的生物物理方法，探讨一个特定ALS基因“热点”中的不同SOD1基因突变是如何影响SOD蛋白质的稳定性。

开始，他们检测了研究最为彻底的SOD突变体（称为SOD G93A）的聚集动力学，其不同于非突变的、“野生型”SOD。为此，他们开发出一种方法，逐步地诱导SOD聚集，用伯克利实验室一种创新的结构成像系统（称为小角度X射线散射光束线，SAXS），对其进行测量。

Tainer实验室的研究科学家David S. Shin在伯克利实验室继续SOD研究，他指出：“我们甚至能在我们加速这个聚集过程之前，检测这两个蛋白之间的差异。”

与野生型SOD相比，G93A SOD聚集地更加迅速，但是慢于一种称为A4V的SOD突变（与一种比较迅速发展的ALS形式相关）。

随后对G93A和其他5个G93突变体进行的实验表明，相比于野生型SOD的紧凑折叠结构，突变体形成了长杆状的聚集体。更迅速形成更长聚集体的突变SOD蛋白质，再次引发了更快速进展的ALS形式。

什么可以解释这些SOD突变体稳定性减少呢？进一步的检测集中在一个铜离子的作用，它通常与被包含在SOD结构中，有助于稳定蛋白质。利用另外两种技术——电子自旋共振（ESR）光谱法和电感耦合等离子体质谱分析（(ICP-MS），研究人员发现，G93突变体SOD摄取铜离子的能力看起来正常，但是在轻度压力条件下保留铜离子的能力降低，对更严重形式ALS相关的SOD突变体来说，这种能力更低。

本文第一作者、Getzoff 实验室研究生、伯克利实验室Tainer博士后Ashley J. Pratt指出：“有迹象表明，突变体SOD比野生型SOD更加灵活，我们认为这解释了它们保留铜离子的相对无力。”

指向新疗法
总之，G93突变体SOD似乎具有更松散的结构，更可能漏掉它们的铜离子，从而更容易发生错误折叠并粘在一起形成聚集体。

Getzoff和Tainer与该领域的其他研究人员怀疑，突变体SOD的异常相互作用可触发炎症，并破坏普通的蛋白质运输和处理系统，加重并最终杀死受影响的神经元。

Getzoff称：“因为突变体SOD更容易变形，它们不能正确地保留和释放它们的蛋白质伴侣。通过定义这些有缺陷的搭档，我们可以为ALS治疗药物的开发提供新的靶标。”

研究人员还计划在其他SOD突变体中确认结构稳定性和ALS严重程度之间的关系。

（生物通：王英）

延伸阅读：PNAS：首次制备ALS/dementia小鼠模型

生物通推荐原文摘要：
Aggregation propensities of superoxide dismutase G93 hotspot mutants mirror ALS clinical phenotypes
Abstract: Protein framework alterations in heritable Cu, Zn superoxide dismutase (SOD) mutants cause misassembly and aggregation in cells affected by the motor neuron disease ALS. However, the mechanistic relationship between superoxide dismutase 1 (SOD1) mutations and human disease is controversial, with many hypotheses postulated for the propensity of specific SOD mutants to cause ALS. Here, we experimentally identify distinguishing attributes of ALS mutant SOD proteins that correlate with clinical severity by applying solution biophysical techniques to six ALS mutants at human SOD hotspot glycine 93. A small-angle X-ray scattering (SAXS) assay and other structural methods assessed aggregation propensity by defining the size and shape of fibrillar SOD aggregates after mild biochemical perturbations. Inductively coupled plasma MS quantified metal ion binding stoichiometry, and pulsed dipolar ESR spectroscopy evaluated the Cu2+ binding site and defined cross-dimer copper–copper distance distributions. Importantly, we find that copper deficiency in these mutants promotes aggregation in a manner strikingly consistent with their clinical severities. G93 mutants seem to properly incorporate metal ions under physiological conditions when assisted by the copper chaperone but release copper under destabilizing conditions more readily than the WT enzyme. Altered intradimer flexibility in ALS mutants may cause differential metal retention and promote distinct aggregation trends observed for mutant proteins in vitro and in ALS patients. Combined biophysical and structural results test and link copper retention to the framework destabilization hypothesis as a unifying general mechanism for both SOD aggregation and ALS disease progression, with implications for disease severity and therapeutic intervention strategies.