淀粉樣蛋白纖維的異常沉積是阿爾茲海默病、帕金森病、漸凍癥等多種神經退行性疾病的核心病理標志物，也是實現這些疾病早期診斷和治療的關鍵靶點。然而，有別于蛋白的天然構象，淀粉樣蛋白聚集具有獨特的結構多態(tài)性（structural polymorphism），即同一病理蛋白在不同條件下可能形成結構迥異的淀粉樣聚集（amyloid polymorphs）。這些polymorphs具有不同的病理毒性，與不同的疾病亞型緊密相關，為開發(fā)特異性識別特定polymorph的化學小分子PET探針及抑制劑帶來了挑戰(zhàn)。

2024年8月22日，來自中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心的劉聰課題組在《美國國家科學院院刊》（PNAS）期刊上發(fā)表了文章“Binding adaptability of chemical ligands to polymorphic α-synuclein amyloid fibrils”。該研究系統(tǒng)分析了不同化學小分子與帕金森病關鍵病理蛋白α-突觸核蛋白（α-synuclein，α-syn）形成的不同amyloid polymorphs的結合位點與模式，首次揭示了小分子在識別與結合不同polymorphs時的高度可塑性。該工作是在劉聰課題組2023年提出的化學分子與淀粉樣聚集互作的基本規(guī)律（https://www.nature.com/articles/s41589-023-01370-x）的基礎上進一步深化的成果。這項工作進一步拓展和完善了化學分子與淀粉樣聚集的互作理論，而且為病理蛋白聚集纖維的分子探針設計、研發(fā)以及其在臨床應用中的潛力展現了新的前景。

在本項研究中，研究人員對七種不同骨架的小分子與攜帶E46K突變的α-syn淀粉樣聚集的結合特性進行了深入分析，并將其與對野生型α-syn形成的polymorph 1a的結合特性進行了細致對比。利用表面等離子共振技術，研究人員測定了這些小分子對E46Kpolymorph的親和力，并觀察到它們對兩種α-syn polymorphs 展現出相似的親和力。進一步地，研究者人員采用冷凍電鏡三維螺旋重構技術對小分子-E46K polymorph復合物進行了結構解析，揭示了小分子在不同polymorphs中的具體結合位點和結合模式。研究結果表明，與天然蛋白質的三維結合口袋相比，淀粉樣聚集的二維管狀結合界面空間限制較小，為小分子提供了更多的結合自由度。這一特點使得小分子能夠通過不同的取向與不同的結合位點相互作用，從而實現了對不同amyloid polymorphs的識別和可塑性結合。

此外，研究還發(fā)現，通過改變小分子的骨架和官能團，可以對其結合可塑性進行精細調節(jié)。這一發(fā)現不僅豐富了我們對小分子與淀粉樣蛋白聚集互作機制的認識，而且為設計具有高親和力和高選擇性的分子探針提供了重要的結構和化學基礎。

圖1 F0502B的結合可塑性

（a）表面等離子共振技術分析F0502B與三種α-syn amyloid polymorphs的親和力。（b）ThT與F0502B的化學結構。（c, d）F0502B與E46K polymorph（c）和WT polymorph 5a（d）的結合情況。分別展示了F0502B與兩種polymorphs形成的復合物的冷凍電鏡密度圖、F0502B在兩種polymorphs中的結合位點與結合模式的二維分析、以及F0502B在各個結合位點的放大圖。（e）F0502B在不同polymorphs中的結合位點的總結與分類。（f）F0502B與WT polymorph 5a Site I （上）以及WT polymorph 1a N-pocket（下）的相互作用圖譜。

綜上，此項工作系統(tǒng)地研究了化學分子對病理蛋白聚集體不同polymorphs的結合特性，揭示了小分子在識別與結合不同polymorphs時的高度可塑性與適應性。本研究拓展了對小分子-淀粉樣蛋白聚集體互作機制的理解，同時為淀粉樣蛋白聚集特異性PET探針的開發(fā)帶來了新的思考，為開發(fā)神經退行性疾病的精準分子診斷工具奠定了堅實的基礎。

中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心博士研究生劉凱恩和上海交通大學Bio-X研究院已畢業(yè)博士研究生陶友琦為該論文的共同第一作者。劉聰研究員為通訊作者。此項工作獲得中國科學院上海有機化學研究所李昂課題組的大力支持。本項目受到國家自然基金委，中國科學院及上海市科委的基金支持。

原文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2321633121