Nat. Struct. Mol. Biol. | 刘聪与合作者发现聚糖分子调控帕金森...

　　

在阿尔兹海默病和帕金森病等神经退行性疾病的病理条件下，致病淀粉样蛋白（如：Tau和α-syn）通过液-固相变聚集形成病理淀粉样纤维聚集体，是相应疾病的核心病理标志及重要的诊断和治疗靶点。近年研究发现，细胞内多种生物活性分子（如核酸、脂质以及代谢物）对于病理蛋白聚集具有动态调控作用，在疾病的发生发展中起到重要作用。然而，针对生物体中执行生物学功能的另一类重要生物分子-糖类分子是否以及如何调控蛋白病理性聚集的研究相对匮乏。

近期，中国科学院上海有机化学研究所刘聪课题组与俞飚课题组合作，针对“聚糖分子如何调控病理蛋白聚集”这一核心科学问题，在Nature Structural & Molecular Biology发表了题目为Time-course remodeling and pathology intervention of α-synuclein amyloid fibril by heparin and heparin-like oligosaccharides的研究论文，首次发现了肝素多糖能够结合帕金森病致病蛋白α-syn的病理纤维聚集体并动态重塑其纤维结构的现象，并阐释其在疾病中的作用。进一步，该研究通过高通量筛选成功获得具有竞争肝素多糖结合α-syn纤维，同时抑制α-syn病理聚集及神经元毒性的寡糖分子。这项工作开辟了运用寡糖活性分子调控病理蛋白聚集及病理毒性的新方向，为靶向蛋白病理聚集的神经退行性疾病药物设计提供了新分子和新思路。

 

 

成熟的病理蛋白纤维聚集体由于存在大量分子间氢键和疏水相互作用被普遍认为具有超稳定的刚性结构。然而，在本工作中，研究人员发现将成熟的α-syn纤维聚集体与肝素多糖（一种高度负电性的聚糖）孵育后，纤维的结构会随着时间的推移而发生演变。有趣的是，α-syn分子沿纤维轴的排列逐渐发生演变，随着肝素多糖的孵育时间延长，α-syn纤维的螺旋逐渐被压缩，相邻两层α-syn单体之间的扭转角逐渐增大（图1a，b）。构成纤维的每一层α-syn单体在结合肝素多糖后也发生局部的构象变化，如无序的N端片段变得有序，局部氨基酸残基发生翻转（图1c）。这些现象表明，肝素多糖具有重塑淀粉样纤维结构的能力。此外，研究人员发现，肝素多糖还能够与成熟的Tau纤维（阿尔兹海默病的关键病理聚集体）结合，并引发纤维螺旋的压缩。因此，肝素多糖具有重塑多种不同病理聚集体的能力，并可能通过识别及重塑蛋白病理聚集体来调控其与细胞膜的结合、内吞，以及胞内病理性扩增。

 

图1 肝素多糖对成熟α-syn纤维的时序重塑

 

进一步，研究人员试图寻找能够阻断肝素多糖与α-syn纤维结合的糖类分子。通过化学合成，研究人员建立了肝素类寡糖库（由1-5个单糖单元构成），并通过高通量竞争筛选实验，在寡糖库中筛选获得了两种能够竞争肝素多糖的寡糖活性分子（图2）。寡糖-α-syn纤维识别机制研究揭示了糖单元上的硫酸化修饰模式和糖单元的数目决定其与纤维聚集体的结合能力。更为重要的是，筛选获得的肝素类寡糖活性分子能够有效抑制病理纤维聚集体的形成，并阻断其与神经元细胞膜的结合及在神经元细胞间的病理性传播（图3）。因此，寡糖活性分子具备作为抑制病理性α-syn聚集毒性的先导药物分子研发的潜力。

 

图2 结合α-syn纤维的寡糖活性分子筛选

 

综上，此项研究通过综合运用化学生物学、生物物理学和细胞生物学等技术手段，发现了肝素多糖对病理性淀粉样蛋白聚集的时序重塑能力；揭示了成熟的病理纤维聚集体仍可以在与活性多糖分子的相互作用过程中发生结构演化，进而改变其病理活性；首次报道了寡糖分子在调控病理聚集体的形成以及毒性中的重要作用，并为基于寡糖活性分子的神经退行性疾病药物研发提供了全新的思路。

 

图3 寡糖活性分子抑制α-syn在神经元中的病理性扩增

 

上海交通大学Bio-X研究院的陶友琦博士，中国科学院上海有机化学研究所的徐鹏副研究员，为该论文的共同第一作者。俞飚研究员与刘聪研究员为共同通讯作者。此项工作受到国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、上海市科委的资助。

 

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41594-024-01407-2