揭开“帕金森蛋白”的神秘面纱

来自康斯坦茨大学和阿姆斯特丹自由大学的科学家们与Bruker BioSpin开发团队合作，首次成功地在直接光谱检测到“帕金森蛋白”α-突触核蛋白与细胞脂膜的结合。

　　

 

α-synuclein蛋白是人脑中最丰富的蛋白质之一。它通常被称为“帕金森蛋白”，因为这种蛋白在脑细胞中的沉积是帕金森病的一个特征。尽管生物医学研究对α-synuclein蛋白的研究兴趣很高，但有关其在活细胞中的功能和生理的许多问题仍有待回答。例如，以前并不清楚这种蛋白质是否以及在多大程度上与细胞膜等细胞内部成分结合并相互作用。这些过程可以在疾病的发展中发挥作用,Konstanz-based物理化学家Malte Drescher教授领导的研究小组使用的进一步发展建立测量方法称为“电子顺磁共振光谱学”(EPR谱)来了解更多关于“帕金森蛋白质”的绑定属性。这项发表在科学期刊《物理化学快报》上的研究证明，这种先进的方法从根本上适合于阐明细胞内蛋白质-脂质相互作用。此外，这第一个实际试验提供了α-synuclein与胞内膜结合的直接证据。

 

慢并不总是更彻底

EPR光谱学的高级版本，在目前的研究中是第一次在实践中使用，被称为快速扫描EPR光谱学。在这两种方法中，无论是传统的还是先进的，被研究的蛋白质都首先安装了所谓的自旋探针。这些化学探针使检测蛋白质结构的变化成为可能。每一个自旋探针都有一个自由电子，它的自旋是由微波辐射激发的。“我们可以把自旋想象成小指南针，在测量过程中受到微波辐射的影响，”Drescher解释说。在传统的EPR光谱学中，对于每一组被激发的自旋，都必须等到这种影响减弱后才能再次被激发。这个相对耗时的过程必须重复多次才能完成测量。

相比之下，快速扫描EPR光谱学无需等到对自旋基团的影响减弱后再继续测量。Drescher说:“相反，你会以光谱的方式将影响从一个自旋基团推到另一个自旋基团，然后在它的兴奋刚刚消退的那一瞬间又回到第一个基团。”一方面，该方法缩短了所需的测量时间，另一方面，它允许应用更高的微波功率，从而提高了方法的精度。研究人员在目前对α-突触核蛋白结合行为的研究中利用了这两种优势。

 

新方法正在实践中

从先前在试管中进行的研究中，我们已经知道“帕金森蛋白”α-突触核蛋白可以附着在带负电的脂膜上。在电子顺磁共振光谱中，这种结合过程伴随着被测信号的特征变化。“最初无序的α-突触核蛋白在与细胞膜结合后呈有序形态。这降低了自旋探针的流动性，而蛋白质的结合可以通过测量方法直接检测到，”德雷切尔研究小组的博士生特蕾莎·布劳恩解释道，她与该研究的主要作者朱莉安·斯特勒合作。

利用合成的带负电荷的膜囊泡和纯化的α-突触核蛋白，Drescher和他的同事能够在快速扫描EPR光谱中检测到同样的信号变化。然而，他们不仅在体外取得了成功，而且在非洲爪蟾(Xenopus laevis)的细胞内也取得了成功。首先，人工膜囊被引入细胞内，不久之后，蛋白质就被引入细胞内。研究小组随后进行了随时间变化的测量，并能够根据测量信号的变化直接观察到细胞中结合蛋白的比例如何随着时间的推移而增加。

当没有人工膜引入细胞时，随着时间的推移，结合α-突触核蛋白的数量也出现了类似的——尽管明显较弱——增加。因此，根据德雷舍尔的说法，对于这一至关重要的观察结果，只有一种解释。“这是我们第一次看到α-突触核蛋白与内源性，即自然存在的脂质膜相互作用的直接证据，”这位科学家总结道。由于影响的规模相对较小，在使用不那么精确的测量方法的实验中，这一点以前一直被隐藏着。

 

从青蛙到人类

在未来的研究中，Malte Drescher的团队计划以这一结果为基础，进一步阐明细胞内α-synuclein与自然细胞成分结合的过程，以了解更多关于该蛋白的功能。在这一过程中，重要的一步是将青蛙细胞作为模型系统转移到各种哺乳动物细胞类型。长期目标是更好地了解“帕金森蛋白”的蛋白-脂质相互作用及其在帕金森病发展中的作用，以便开发出合适的治疗方法。

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这项研究工作是在康斯坦茨合作研究中心969“细胞蛋白酶控制的化学和生物学原理”的框架内进行的，并获得了欧盟“地平线2020”框架计划的额外资助。

 

关键事实:

*原始发表:Theresa S. Braun, Juliane Stehle, Sylwia Kacprzak, Patrick Carl, Peter H?fer, Vinod Subramaniam, Malte Drescher，细胞内蛋白质-脂质相互作用的快速扫描电子顺磁共振波谱研究，DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c03583

*链接:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c03583

*利用快速扫描EPR光谱技术直接检测活细胞中蛋白质-脂质相互作用的可行性研究

*首次直接检测α-synuclein与细胞内膜脂的结合

*未来的研究将进一步阐明α-synuclein与天然细胞膜的结合，并扩展到包括多种哺乳动物细胞类型

*康斯坦茨大学、阿姆斯特丹自由大学(荷兰)与Bruker BioSpin合作的项目合作

*项目协调:Malte Drescher教授，康斯坦茨大学物理化学教授。

*由德国研究基金会(DFG;在SFB 969框架内)和欧洲研究理事会(ERC;在地平线2020的框架内)。