致病性突变R116C人源αA-晶状体蛋白全长的冷冻电镜结构解析揭示白内障淀粉样纤维形成机制

本研究针对白内障致病核心机制——晶状体蛋白异常聚集问题，通过构建携带致病突变R116C的人源αA-晶状体蛋白（αA-crystallin），在酸性和中性条件下分别制备厚/薄两种纤维，首次以3.7 ?近原子分辨率解析薄纤维的三层立体拉链结构，发现天冬氨酸/谷氨酸梯状堆叠等酸性环境依赖特征，揭示Arg49/Arg54等致病突变位点对纤维结构的促进作用，为开发非手术疗法提供关键结构基础。

　　

作为全球首位致盲性疾病，白内障的主要发病机制是晶状体内高浓度表达的αA-晶状体蛋白（αA-crystallin）发生不可逆聚集。这些维持眼球透明度的蛋白质需在无蛋白更新机制的纤维细胞中保持终身稳定，但紫外线辐射、氧化应激等因素会导致其异常聚集形成淀粉样纤维（amyloid fibril）。尽管手术是当前唯一有效治疗手段，开发靶向聚集过程的药物仍需突破关键瓶颈——对病理性聚集结构的认知空白。

为攻克这一难题，研究人员选取与常染色体显性白内障相关的R116C突变体，通过重组表达获得人源αA-晶状体蛋白，分别在pH 7.4（含盐酸胍）和pH 2.0（含三氟乙醇）条件下制备厚、薄两种纤维。负染电镜显示酸性环境形成的薄纤维宽度仅110 ?，具有481 ?周期性螺旋特征。通过冷冻电镜（cryo-EM）技术成功解析3.7 ?分辨率结构，发现其核心由21-89号残基构成三层β-折叠架构，包含β1-β8八个平行β-链，通过Thr43-Ser45-Glu33等氢键网络形成立体拉链（steric zipper）相互作用。特别值得注意的是，Glu33-Asp35等带负电残基沿纤维轴形成阶梯状排列，这解释了为何该结构仅在酸性条件下稳定存在。

研究采用多项关键技术：通过大肠杆菌表达系统制备重组蛋白；利用硫磺素T（ThT）荧光动力学分析比较野生型与突变体纤维形成效率；结合负染电镜筛选适合冷冻电镜分析的样品；采用RELION 4.0软件进行螺旋重构，最终获得3.7 ?分辨率结构。

纤维形成与稳定性

对比实验显示R116C突变体较野生型更快形成纤维且荧光信号更强，电镜观察到突变体特异性薄纤维形态。酸性环境（pH≤4.0）是薄纤维形成的必要条件，该纤维能耐受75℃高温和胃蛋白酶消化，显示异常稳定性。

结构特征解析

三层核心结构包含两个由β4-β5转角与β7链形成的空腔。未中和的负电荷残基与向外伸展的疏水残基构成特殊表面特征，外围存在延伸核心区域（推测含12-117号残基），可能通过屏蔽疏水残基增强稳定性。

致病突变关联性

结构映射发现Arg49和Arg54直接参与盐桥相互作用，其突变（R49C/R54C等）可通过缓解电荷排斥和空间位阻促进纤维形成。而R116C突变位于核心区外，可能通过其他机制加速聚集。

这项研究首次揭示晶状体蛋白淀粉样纤维的原子结构，提出"酸性微环境促进纤维核形成"的病理假说。尽管需进一步验证该结构在患者组织中的存在形式，但立体拉链相互作用界面的发现为设计小分子抑制剂提供精确靶点。特别是致病突变位点与结构稳定性的关联分析，为理解遗传性白内障的分子机制开辟新视角。论文发表于《Communications Chemistry》，为开发靶向蛋白质错误聚集的疗法奠定重要理论基础。