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α-突触核蛋白与线粒体ATP稳态调控因子的相互作用研究

作者及机构：
Tetiana Serdiuk（1,5）、Yanick Fleischmann（2,5）等来自ETH Zürich（瑞士联邦理工学院）、University of Basel等机构的联合团队。
期刊与发表时间：*Nature Communications*，2025年，DOI: 10.1038/s41467-025-62895-4。

学术背景

研究领域：神经退行性疾病（帕金森病，PD）的分子机制，聚焦α-突触核蛋白（α-synuclein, αsyn）与线粒体功能的关联。
研究动机：PD的特征是αsyn聚集和线粒体功能障碍，但二者如何相互影响尚不明确。既往研究表明αsyn可能通过结合线粒体膜脂质（如心磷脂cardiolipin）或蛋白质（如ATP合成酶）干扰能量代谢，但缺乏原子级结构证据。
研究目标：
1. 鉴定αsyn与脑线粒体蛋白的相互作用网络；
2.揭示αsyn构象（单体、C端截短体、纤维聚体）对ATP稳态的影响机制；
3. 探索病理相关αsyn（如家族性突变体）与线粒体互作的差异。

研究流程与方法

1. 样本制备与互作鉴定

• 研究对象：
  
  • αsyn：重组表达的人源野生型（WT）、C端截短体（δc-αsyn, 1–121）、纤维聚体。
    
  • 线粒体：牛脑白质分离的线粒体（功能验证通过ATP合成速率测定）。
    
• 技术方法：
  
  • 有限蛋白酶解耦合质谱（LIP-MS）：通过Proteinase K（PK）短暂消化线粒体蛋白，检测αsyn存在下蛋白构象变化，筛选互作蛋白。
    
  • 核磁共振（NMR）：解析15N标记αsyn与互作蛋白（如AK2、DJ1）的结合位点及动力学。
    
  • 亲和纯化质谱（AP-MS）：验证αsyn与候选蛋白（如AK2、ATP合成酶亚基）的直接结合。
    

2. 功能验证实验

• AK2酶活调控：
  
  • NMR实时监测：通过1H NMR追踪ATP/ADP/AMP的H8质子信号，量化AK2活性变化。
    
  • 紫外光谱法：基于溴百里酚蓝显色反应验证NMR结果。
    
• αsyn聚集抑制实验：
  
  • 光散射与硫黄素T（ThT）荧光：监测AK2对αsyn纤维化的影响。
    
  • SDS-PAGE：分析纤维沉淀中残留单体的比例。
    

3. 细胞与线粒体模型

• HT-22细胞ATP含量测定：比较不同αsyn构象对ATP水平的长期影响。
  
• 小鼠肝线粒体ATP水解实验：验证αsyn对ATP合成酶的抑制作用。
  

创新方法：
- LIP-MS的优化：首次用于αsyn-线粒体互作的高通量筛选，可同时检测直接结合与构象变化。
- NMR功能 assay：开发实时监测AK2活性的1H NMR方法，灵敏度优于传统酶学检测。

主要结果

1. αsyn与线粒体蛋白的互作网络

• LIP-MS：鉴定出18个显著互作蛋白，包括ATP合成酶α亚基（ATPA）、腺苷酸激酶2（AK2）、DJ1（PD相关蛋白）。AK2的94–103肽段（含ATP结合域）被αsyn保护免于蛋白酶解。
  
• NMR结构解析：
  
  • αsyn的C端（105–140）是AK2主要结合区域，N端（1–100）次要结合。
    
  • DJ1与αsyn的N端（Met5）和C端（105–135）结合，可能竞争AK2结合位点。
    

2. αsyn构象依赖的AK2调控

• 激活效应：WT αsyn单体使AK2催化常数（τ）缩短50%（3.75 vs 7.3分钟），而δc-αsyn和纤维聚体无显著影响。
  
• 聚集抑制：AK2通过结合αsyn C端抑制其纤维化，但对PD突变体（E46K、A53T）效果减弱。
  

3. 病理相关αsyn的ATP稳态破坏

• 细胞模型：δc-αsyn和纤维聚体（4 μM）使HT-22细胞ATP降低30%，WT单体无影响。
  
• 线粒体模型：δc-αsyn和纤维聚体抑制ATP水解活性，与寡霉素（ATP合成酶抑制剂）效果相当。
  

结论与意义

科学价值：
1. 揭示了αsyn通过C端与AK2结合调控线粒体ATP稳态的分子机制，为PD能量代谢障碍提供新解释。
2. 阐明病理相关αsyn（截短体、纤维聚体、家族突变体）的功能差异，提示C端完整性对维持生理功能的关键作用。
应用潜力：
- AK2或可作为PD治疗的靶点，尤其针对C端修饰异常的αsyn病理类型。
- LIP-MS与NMR联用策略为IDP（ intrinsically disordered protein，天然无序蛋白）互作研究提供范式。

研究亮点

1. 多模态技术整合：LIP-MS（高通量筛选）+ NMR（原子级分辨率）+ 功能assay（酶活监测）的全流程解析。
   
2. 构象-功能关联：首次证实αsyn单体与纤维聚体对AK2活性的相反效应，解释病理聚集体的毒性机制。
   
3. 跨尺度验证：从体外蛋白互作到细胞/线粒体模型，数据链条完整。
   

其他发现

• DJ1的双重角色：既与αsyn结合，又参与线粒体自噬，可能是PD中αsyn与线粒体损伤的交叉点。
  
• ATP合成酶的构象响应：αsyn可能通过改变腺苷酸平衡间接影响ATP合成酶活性，提示能量代谢网络的全局调控。
  

（报告字数：约1800字）