淀粉样纤维成熟的热力学解码：能量图谱揭示多态性形成的内在机制与外在调控

《Nature Communications》：Energetic profiling reveals thermodynamic principles underlying amyloid fibril maturation

本研究针对淀粉样纤维结构多态性形成的热力学机制不明这一关键问题，通过能量图谱分析技术，系统解析了IAPP、tau和α-突触核蛋白纤维的成熟轨迹。研究发现，聚集倾向区域（APR）作为序列编码的稳定基序驱动纤维组装，而结构挫折的积累与环境辅助因子（如金属离子、肝素）的补偿作用共同调控多态性分化。该框架为理解疾病特异性淀粉样菌株的产生提供了热力学基础，对神经退行性疾病机制研究和治疗策略开发具有重要意义。

　　

在阿尔茨海默病、帕金森病和2型糖尿病等超过50种人类疾病中，淀粉样纤维的异常沉积是共同的病理特征。尽管这些纤维源自序列和功能迥异的蛋白质，它们却共享一种独特的交叉β（cross-β）结构：蛋白质单体通过β链堆叠形成延展的片层，并沿纤维轴通过主链氢键稳定。更令人惊奇的是，单一蛋白质序列能够形成多种结构异构体（称为多态性），这些异构体与不同的临床表型密切相关。例如，从不同tau蛋白病患者脑组织中分离出的tau纤维具有截然不同的折叠方式，类似的现象也在β淀粉样蛋白（Aβ）、α-突触核蛋白（α-synuclein）等蛋白中被观察到。然而，体外实验往往难以复现患者组织中发现的纤维结构，这暗示着细胞内环境因素（如金属离子、多糖、翻译后修饰等）在塑造纤维结构中的关键作用。淀粉样纤维如何从同一序列演化出多样化的稳定结构？其成熟过程遵循怎样的热力学规律？这些问题的答案对于理解疾病特异性菌株的产生机制至关重要。

为解决这一难题，Ramon Duran-Romana、Joost Schymkowitz、Frederic Rousseau和Nikolaos Louros团队在《Nature Communications》上发表了题为“Energetic profiling reveals thermodynamic principles underlying amyloid fibril maturation”的研究。他们通过能量图谱分析技术，结合时间分辨冷冻电镜（cryo-EM）结构数据，系统重建了IAPP、tau和α-突触核蛋白纤维的成熟轨迹，揭示了淀粉样纤维多态性形成的热力学框架。

研究主要依托冷冻电镜结构数据库，选取IAPP S20G突变体、tau（297-391片段）和α-突触核蛋白的时间序列结构数据；采用FoldX力场进行残基水平自由能贡献计算，包括范德华作用、氢键、溶剂化能等分量；通过主成分分析（PCA）降维解析能量分布演变；利用定制算法预测金属离子结合位点；使用ChimeraX进行结构可视化与能量映射。

APR stabilization underlies the emergence of distinct IAPP fibril polymorphs

通过对IAPP S20G突变体纤维成熟过程的分析，发现早期纤维共享P形截面原纤维，后期分化为C形和L形两个谱系。能量分析表明，成熟纤维核心的稳定性较中间体提升近一倍，且稳定性能量集中于三个已知的聚集倾向区域（APR）。尽管形态迥异，成熟C形和L形折叠均通过强化APR实现稳定，但各谱系强化不同序列区域：L形依赖N端APR，而C形侧重中段和C端APR。进一步结构比对显示，8个疏水残基（如L12、F23、V32等）通过空间拉链结构在不同折叠中重新配置其界面作用，体现了序列编码的稳定基序在多态性形成中的可塑性。

Backbone strain accumulates during tau fibril maturation despite APR-driven stabilization

在tau纤维体系中，AD（阿尔茨海默病）和CTE（慢性创伤性脑病）两种疾病相关折叠在体外仅通过缓冲液成分（Mg²⁺或NaCl）调控即可实现。能量图谱显示，tau成熟过程中尽管APR（如PHF6、PAM4 motif）持续提供稳定作用，但主链氢键 distortion 导致内部应变积累，整体稳定性随成熟度上升而下降。这一现象与IAPP的稳定化趋势相反，提示tau纤维成熟需要未纳入模型的辅助因子（如金属离子）补偿应变。

AD and CTE strains emerge from a common pathway via local energetic reorganization

PCA分析表明，AD与CTE tau纤维早期共享J形中间体，后期通过局部能量重组分化为不同折叠。关键残基（K343、R349、S356）的构象差异驱动了谱系分化：AD折叠中K353与D358形成盐桥，S356溶剂化；CTE折叠中该相互作用缺失，S356埋入核心。这些微调通过重新分配局部应变实现折叠特异性稳定。

Cofactors redistribute and compensate for protofilament energetic frustration

研究预测AD tau纤维中Mg²⁺结合位点随成熟进程增强，主要位于S356-E358区域及N/C端桥接区。金属离子结合可局部缓解主链应变，而CTE纤维中Na⁺未预测到特异性结合，提示其可能通过非特异性离子屏蔽实现稳定。在α-突触核蛋白模型中，肝素结合早期增强β结构稳定性，但长期暴露诱导更高挫折度的多态性，进一步证实辅助因子通过能量再分布调控纤维构象可达性。

该研究建立了淀粉样纤维成熟的热力学统一框架：序列编码的APR构成纤维稳定的能量骨架，而环境辅助因子通过调控局部挫折度决定多态性分化方向。这一模型解释了为何体外与体内纤维结构存在差异，并为理解疾病特异性菌株的产生提供了机制基础。方法学上，能量图谱与时间分辨结构分析的结合，为精准识别构象开关残基、辅助因子依赖位点提供了新工具，有望指导通过突变、配体结合或辅助因子调控干预菌株形成的治疗策略开发。