Science：不仅取决于相互作用的蛋白质，还取决于在细胞内的空间排列

圣犹达儿童研究医院的科学家们使用冷冻电子显微镜来表征与帕金森病有关的两种蛋白质的相互作用。

　　

圣犹达儿童研究医院的科学家揭示了两种帕金森病相关蛋白的复杂结构，这两种蛋白都与晚发性病例有关。富亮氨酸重复激酶2 (LRRK2)是一种在磷酸化过程中修饰其他蛋白质的蛋白激酶，Rab29是Rab GTP酶家族的成员，它调控着细胞的运输，并调节着LRRK2的活性。目前还不清楚Rab29和LRRK2是如何协同作用导致帕金森病的。圣犹达大学的研究人员确定了与Rab29结合的LRRK2的结构，揭示了LRRK2调控背后的奥秘，并提出了对药物设计有意义的见解。

这项研究成果发表在《科学》（Science）杂志上。

帕金森病是仅次于阿尔茨海默病的第二大常见神经退行性疾病，65岁以上的老年人口中有1-2%的人患有该病。众所周知，帕金森病与遗传有关，约15%的病例有家族史。虽然与该疾病相关的基因有很多，但LRRK2突变是最常见的原因之一。由于LRRK2 体积庞大，LRRK2的结构研究一直很麻烦。 

圣犹达大学结构生物学系通讯作者Ji Sun博士说:“这种蛋白质的研究极具挑战性。”

 尽管困难重重，Ji Sun和他的团队还是2021年在Cell上发表了全长LRRK2的第一个结构。 

“在第一篇论文中，我们得到了LRRK2的结构，但该结构显示出非活性构象，”Ji Sun解释说。蛋白质通常有活跃和不活跃的形式，由不同的细胞信号调节。有时，它需要与另一种蛋白质结合才能触发结构变化，使蛋白质从非活性形状变为活性形状。“所以，我们开始思考，‘我们有LRRK2的一个关键状态。我们能得到它的活性构象吗?’”

冷冻电镜捕捉到LRRK2的活性状态 

寻找活性构象并不像将Rab29添加到LRRK2中那么简单。LRRK2 可以与其他 LRRK2 分子结合，这一过程称为寡聚化。这可以将单个LRRK2单体(一个单元)转化为二聚体(两个单元)，甚至更大的组装体。这意味着研究人员必须寻找代表活性形式的版本。还有一个问题是Rab29位于细胞膜上。 

“在细胞中，大约90%或更多的LRRK2是细胞质，”Sun解释说，指的是细胞质，细胞膜包裹的液体，含有细胞的许多成分。“非常少量位于膜表面并形成大的低聚物。这些都是活跃的和功能性的版本。”

文章第一作者，St. Jude结构生物学系的Hanwen Zhu博士，使用低温电子显微镜确定了Rab29-LRRK2复合物的第一个结构。这包括单体(一对)和二聚体(两对)的结构，以及意想不到的四聚体(四对)。“我们对这些结构发现感到非常兴奋，因为它们代表了第一个在活跃状态下捕获的高分辨率LRRK2结构”。 

Sun补充说:“在这个四聚体中，我们看到了LRRK2的活性构象，但在单体和二聚体复合物中，LRRK2处于非活性构象。” 

了解Rab29-LRRK2复合物 

这些发现表明，LRRK2的激活不仅取决于与之相互作用的蛋白质，还取决于它们在细胞内的空间排列。 

“我们提出了从单体到四聚体在膜募集的过渡，在细胞内，它主要是LRRK2的非活性单体或二聚体。但当Rab29将LRRK2招募到膜上时，LRRK2的局部浓度增加。这促进了向四聚体的转变，其中LRRK2变得活跃。” 

这对帕金森病有什么影响?这些结构为研究人员提供了一个原子尺度的地图，追踪导致帕金森病的不同突变如何影响该复合体的功能。 

Sun说:“所有这些突变实际上都有利于活性构象，这意味着它们在活性构象中提供新的相互作用，或者破坏非活性构象中的相互作用。”“突变的影响可以在我们的结构中漂亮地可视化：它解释得很好。” 

这种结构研究的重要性不仅在于获得的新见解，还在于它们在药物设计中的潜在应用。例如，研究人员还捕获了药物DNL201存在时LRRK2的结构。这种药物通过了第一阶段的临床试验，将蛋白质锁定在活性状态，因此它被用来验证他们的发现，即四聚体确实是复合物的活性形式。 

“我们现在有一个不活跃的构象和一个活跃的构象，所以我们可以监测从不活跃到活跃状态的转变，这些结构为药物化学家设计用于治疗帕金森病的新型LRRK2抑制剂提供了急需的见解。”