病理性淀粉樣蛋白聚集是多種神經(jīng)退行性疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ『团两鹕〉龋┑年P(guān)鍵病理學(xué)標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)。使用小分子靶向病理性的淀粉樣蛋白纖維可用于多種神經(jīng)退行性疾病的早期診斷和精準(zhǔn)治療。因此，臨床上亟需特異性結(jié)合淀粉樣蛋白纖維的小分子示蹤劑和抑制劑。然而，由于淀粉樣蛋白纖維的折疊組裝結(jié)構(gòu)與天然構(gòu)象的蛋白具有顯著差別，相比于靶向蛋白天然構(gòu)象小分子設(shè)計(jì)與研發(fā)的海量知識(shí)與成功案例，目前，缺乏小分子配體與纖維相互作用的精確機(jī)制，使得我們無(wú)法基于結(jié)構(gòu)研發(fā)特異性結(jié)合病理聚集體的化學(xué)小分子。  

　　中國(guó)科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心劉聰課題組長(zhǎng)期聚焦神經(jīng)退行性疾病關(guān)鍵致病蛋白的相變聚集機(jī)制與化學(xué)調(diào)控研究，一系列工作揭示了淀粉樣蛋白纖維結(jié)構(gòu)的高度多態(tài)性，闡釋了其與蛋白天然構(gòu)象的本質(zhì)差別，并揭示了其在帕金森病等神經(jīng)退行性疾病發(fā)展中的關(guān)鍵作用（Nat Chem Biol，2021；Nat Rev Neurosci，2022）^1,2。近期，研究團(tuán)隊(duì)聚焦“化學(xué)分子如何識(shí)別病理蛋白聚集體”這一蛋白相變聚集領(lǐng)域的核心科學(xué)問(wèn)題，通過(guò)與上海交通大學(xué)Bio-X研究院李丹課題組合作，通過(guò)綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)等研究方法，首次系統(tǒng)地揭示了具有不同結(jié)構(gòu)的小分子化合物與蛋白病理聚集體相互作用的基本原理。相關(guān)研究工作于2023年7月3日在Nature Chemical Biology期刊上發(fā)表，研究論文的題目為“Structural mechanism for specific binding of chemical compounds to amyloid fibrils”。該工作是對(duì)蛋白質(zhì)-配體相互作用理論的革新，并為神經(jīng)退行性疾病小分子示蹤劑的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。  

　　在此項(xiàng)工作中，研究人員基于化合物庫(kù)建立了高通量淀粉樣蛋白纖維配體篩選方法，并由此方法發(fā)現(xiàn)了新的帕金森病致病蛋白α-突觸核蛋白（α-synuclein，α-syn）纖維配體骨架。接下來(lái)，研究人員通過(guò)冷凍電鏡螺旋重構(gòu)技術(shù)解析了包括篩選獲得的聚集體的配體，臨床前顯像示蹤劑，以及經(jīng)典淀粉樣蛋白染料等9個(gè)不同結(jié)構(gòu)的小分子與α-syn纖維結(jié)合的原子結(jié)構(gòu)（圖1）。這些結(jié)構(gòu)信息揭示了小分子化合物與淀粉樣蛋白纖維相互作用的基本機(jī)制，與傳統(tǒng)的配體-天然蛋白質(zhì)互作存在顯著差異：天然蛋白質(zhì)的配體結(jié)合口袋通常是三維的；淀粉樣蛋白纖維的配體結(jié)合位點(diǎn)實(shí)際上是溝槽狀，在纖維軸方向上是開(kāi)放的，只有二維限制，因此配體需要建立沿纖維軸的相互作用限制，使其能夠像天然蛋白質(zhì)的配體一樣特異性地結(jié)合。小分子之間的配體-配體π-π相互作用提供了這種特異性結(jié)合必需的限制。 

　　圖2 化學(xué)小分子-淀粉樣蛋白纖維復(fù)合物中的配體結(jié)合取向和特異性  

　　綜上，此項(xiàng)研究闡釋了蛋白淀粉樣聚集狀態(tài)下獨(dú)特的小分子配體結(jié)合模式，為基于結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)能夠特異識(shí)別蛋白聚集體的小分子示蹤劑提供了重要的理論支持和技術(shù)平臺(tái)?；谝陨匣A(chǔ)理論的探究，劉聰課題組與李丹課題組合作，正在綜合運(yùn)用基于原子結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)、基于高通量篩選的化合物骨架篩選，以及一系列動(dòng)物模型、離體組織驗(yàn)證方法，以開(kāi)發(fā)一系列能夠特異性識(shí)別α-syn病理性聚集的小分子先導(dǎo)化合物，用于臨床正電子發(fā)射斷層掃描（PET）成像示蹤劑的研發(fā)，從而推動(dòng)帕金森病及相關(guān)突觸核蛋白病的早期診斷以及精準(zhǔn)病理分型的研究。相關(guān)成果將為迫切的臨床診斷和治療需求帶來(lái)希望。  

　　此項(xiàng)工作得到中國(guó)科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心譚立課題組、中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所湯文軍課題組大力幫助，得到中國(guó)科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心生物電鏡平臺(tái)、高通量藥物篩選平臺(tái)的技術(shù)支持。此項(xiàng)工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院上海分院等基金的資助。  

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41589-023-01370-x  

　　相關(guān)文獻(xiàn)：  

　　1 Li, D. & Liu, C. Hierarchical chemical determination of amyloid polymorphs in neurodegenerative disease. Nat Chem Biol 17, 237-245, doi:10.1038/s41589-020-00708-z (2021).  

　　2 Li, D. & Liu, C. Conformational strains of pathogenic amyloid proteins in neurodegenerative diseases. Nat Rev Neurosci 23, 523-534, doi:10.1038/s41583-022-00603-7 (2022).