异源二聚体锌缺乏型SOD1的结构、氧化还原化学性质及其对运动神经元的毒性作用——这些因素与ALS（肌萎缩侧索硬化症）中观察到的“毒性功能增强”现象密切相关

《Neurobiology of Disease》：The structure, redox chemistry and motor neuron toxicity of heterodimeric zinc-deficient SOD1-implications for the toxic gain of function observed in ALS

SOD1锌缺乏突变体与野生型形成异源二聚体，维持正常结构但毒性增强，通过产生活性氧和过氧化亚硝酸盐引发神经毒性，支持野生型等位基因通过稳定锌缺乏亚基加剧显性遗传的als病机制。

　　本研究探讨了铜锌超氧化物歧化酶（Cu, Zn SOD1）在家族性肌萎缩侧索硬化症（fALS）中的作用机制。SOD1是一种重要的抗氧化酶，负责将超氧化物自由基转化为氧气和水，从而保护细胞免受氧化损伤。然而，某些SOD1的突变已被确认与fALS的发生有关，这些突变通常以显性方式遗传，意味着即使个体只携带一个突变的SOD1基因拷贝，也可能表现出疾病症状。这种突变形式的SOD1在结构上发生了变化，导致其在细胞内的稳定性下降，进而可能引发毒性反应。

为了更深入地理解这种毒性机制，研究团队构建了一种新的SOD1异源二聚体结构，即通过一个16个氨基酸的连接子将锌缺乏型SOD1与野生型Cu, Zn SOD1连接在一起。这一结构设计旨在防止SOD1亚基之间的快速交换，以便更准确地研究异源二聚体对毒性的潜在影响。研究结果表明，这种异源二聚体在X射线晶体结构分析中表现出与野生型SOD1相似的构象，未出现明显的错误折叠现象。此外，异源二聚体能够产生过氧亚硝酸盐（peroxynitrite），这是一种已知能够激活细胞死亡通路的化合物，从而导致运动神经元的损伤。

在实验中，研究团队使用了多种方法来评估SOD1的金属结合状态和氧化活性。例如，通过大小排阻色谱-电感耦合等离子体质谱（SEC-ICP-MS）检测了SOD1的铜和锌含量，并通过电喷雾电离质谱（ESI-MS）验证了其金属状态。这些实验数据表明，异源二聚体主要含有两个铜原子和一个锌原子，与预期的金属配比相符。此外，X射线吸收近边结构（XANES）分析进一步确认了异源二聚体中铜的氧化状态，显示出其更容易被还原为Cu(I)形式，从而增加其化学活性。

在运动神经元毒性方面，研究发现，锌缺乏型SOD1单独存在时，其对神经元的毒性较低，但在与野生型SOD1形成异源二聚体后，毒性显著增强。这表明，异源二聚体可能通过稳定锌缺乏型SOD1的结构，促进其在细胞内的活性，从而加速毒性反应。实验还发现，锌缺乏型SOD1在没有锌的情况下，其电荷环和锌结合环的结构会变得不稳定，这可能导致活性位点通道的扩大，使铜更容易被还原，进而产生更多的超氧化物自由基和过氧亚硝酸盐。

这些发现支持了这样一个观点：锌缺乏型SOD1可能是ALS发病过程中的一个关键毒性中间体。此外，野生型SOD1在人类fALS患者中可能通过与突变型SOD1形成异源二聚体，对疾病的显性遗传起到重要作用。研究还指出，尽管SOD1突变在许多组织中都能表达，但它们在运动神经元中的积累可能导致锌的耗尽，从而引发局部的毒性反应。这种机制解释了为何ALS的发病时间通常在出生后数十年才出现，即使突变型SOD1在整个身体中都有表达。

此外，研究还强调了运动神经元对锌缺乏的特殊敏感性。运动神经元的轴突长度可达一米，这使得维持锌的稳态和有效运输成为一项挑战。当锌缺乏时，这些神经元可能更容易受到氧化应激的损害，从而导致细胞死亡。这与之前的发现一致，即锌缺乏型SOD1在运动神经元中特异性富集，并且其结构变化可能引发一系列细胞毒性反应，包括热休克蛋白90（HSP90）的硝化和P2X7受体的激活。

研究团队还讨论了SOD1突变体如何通过异源二聚体形式影响疾病的进程。在转基因小鼠模型中，野生型SOD1与突变型SOD1共表达时，会导致疾病进展加快。这表明，野生型SOD1可能通过增强突变型SOD1的毒性，间接促进了ALS的发展。因此，该研究不仅揭示了SOD1突变体在ALS中的作用机制，还为理解疾病的遗传和分子基础提供了新的视角。

综上所述，本研究通过构建和分析异源二聚体，揭示了锌缺乏型SOD1在ALS中的毒性作用及其与野生型SOD1的相互作用。这些发现不仅有助于深入理解ALS的发病机制，还可能为未来的治疗策略提供新的思路。