纤维模糊外层对α-突触核蛋白病理传播活性的重要性

神经病学 医学
α-突触核蛋白 病理传播 纤维模糊外层 神经退行性疾病 治疗靶点

学术背景

神经退行性疾病，如帕金森病（Parkinson’s disease, PD）和阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD），通常伴随着病理蛋白的异常聚集和传播。α-突触核蛋白（α-synuclein）的异常聚集是帕金森病和其他突触核蛋白病（synucleinopathies）的核心病理特征。尽管已有大量研究揭示了α-突触核蛋白纤维（fibrils）的核心结构与其病理传播能力之间的关系，但纤维外层的“模糊区域”（fuzzy coat）在病理传播中的作用尚不明确。这一模糊区域由蛋白质的N端和C端组成，具有高度灵活性，传统结构解析技术难以捕捉其详细结构。因此，作者旨在探讨α-突触核蛋白纤维的模糊外层在病理传播中的具体作用，并揭示其潜在的分子机制。

论文来源

该研究由Yuliang Han、Juan Li、Wencheng Xia等学者共同完成，研究团队来自中国科学院上海有机化学研究所、中国科学技术大学、美国宾夕法尼亚大学等多个知名机构。论文于2025年6月4日发表在《Neuron》期刊上，题为“Fibril Fuzzy Coat is Important for α-Synuclein Pathological Transmission Activity”。

研究流程

1. 研究对象的制备与纤维化

研究首先通过体外纤维化实验制备了α-突触核蛋白的预形成纤维（preformed fibrils, PFFs）。具体步骤包括：将α-突触核蛋白单体在体外振荡5天，形成初始纤维（P1），随后通过高速离心分离纤维。接着，将P1纤维与新鲜单体混合，进行多轮扩增，最终得到P2至P8纤维。

2. 纤维病理传播能力的评估

通过将不同轮次的纤维（P1至P8）接种到野生型小鼠的原代神经元中，研究人员发现，随着纤维扩增轮次的增加，纤维的病理传播能力逐渐下降。这一现象在体内实验中得到了验证：将P1和P8纤维分别注射到小鼠海马区，3个月后检测到P1纤维诱导的病理变化显著多于P8纤维。

3. 纤维多态性的分离与鉴定

研究发现，P1纤维中存在两种不同的多态性纤维：mini-p和mini-s。mini-p纤维具有更高的神经元传播活性，而mini-s纤维则能加速重组α-突触核蛋白的聚集。通过低温电子显微镜（cryo-EM）和固态核磁共振（ssNMR）技术，研究人员发现，尽管mini-p和mini-s纤维的核心结构相似，但它们的模糊外层灵活性存在显著差异。

4. 纤维与神经元受体的相互作用

进一步研究发现，mini-p纤维更容易被神经元摄取，且对蛋白酶降解更具抵抗力。通过生物层干涉技术（BLI）实验，研究人员发现mini-p纤维与神经元受体HSPG（heparan sulfate proteoglycan）的结合亲和力显著高于mini-s纤维。

5. 模糊外层与核心区域的相互作用

通过氢/氘交换质谱（HDX-MS）技术，研究人员发现，mini-p纤维的C端模糊外层与核心区域的相互作用更为紧密，导致其模糊外层的灵活性降低。这一发现解释了mini-p纤维为何更容易形成聚集体并具有更高的病理传播能力。

6. 抗体抑制实验

研究人员还开发了针对mini-p纤维的特异性抗体，发现这些抗体能够有效抑制mini-p纤维的病理传播活性，进一步验证了模糊外层在病理传播中的关键作用。

主要结果

  1. 纤维传播能力的下降：随着纤维扩增轮次的增加，α-突触核蛋白纤维的病理传播能力逐渐下降，这一现象在体内和体外实验中均得到了验证。
  2. 纤维多态性的发现：P1纤维中存在两种多态性纤维（mini-p和mini-s），其中mini-p纤维具有更高的神经元传播活性，而mini-s纤维则能加速重组α-突触核蛋白的聚集。
  3. 模糊外层的灵活性差异：mini-p和mini-s纤维的核心结构相似，但它们的模糊外层灵活性存在显著差异，mini-p纤维的模糊外层与核心区域的相互作用更为紧密。
  4. 神经元摄取与蛋白酶抗性：mini-p纤维更容易被神经元摄取，且对蛋白酶降解更具抵抗力，这些特性使其具有更高的病理传播能力。
  5. 抗体抑制效果：针对mini-p纤维的特异性抗体能够有效抑制其病理传播活性，为未来的治疗策略提供了新的思路。

结论与意义

该研究首次揭示了α-突触核蛋白纤维的模糊外层在病理传播中的关键作用，并阐明了其分子机制。研究结果表明，模糊外层的灵活性及其与核心区域的相互作用是决定纤维病理传播能力的重要因素。这一发现不仅为理解神经退行性疾病的病理传播机制提供了新的视角，还为开发针对模糊外层的治疗策略提供了潜在靶点。此外，研究还开发了特异性抗体，为未来的疾病干预提供了新的工具。

研究亮点

  1. 首次揭示模糊外层的作用：该研究首次系统性地探讨了α-突触核蛋白纤维的模糊外层在病理传播中的作用，填补了这一领域的研究空白。
  2. 多技术结合的研究方法：研究结合了cryo-EM、ssNMR、HDX-MS等多种先进技术，全面解析了纤维的结构与功能。
  3. 特异性抗体的开发：研究开发了针对mini-p纤维的特异性抗体，为未来的治疗策略提供了新的工具。
  4. 潜在的治疗靶点：模糊外层作为新的治疗靶点，为神经退行性疾病的干预提供了新的思路。

其他有价值的信息

研究还发现，模糊外层的负电荷残基在纤维的自我聚集和神经元摄取中起着重要作用。通过改变纤维化反应的pH值或突变模糊外层的负电荷残基，研究人员能够调控纤维的聚集行为和病理传播能力。这一发现为未来的药物设计和疾病干预提供了新的方向。

该研究不仅深化了我们对α-突触核蛋白病理传播机制的理解，还为神经退行性疾病的治疗提供了新的思路和工具。