NSMB | 解析朊病毒蛋白纤维冷冻电镜结构

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由朊病毒蛋白（PrP）在体内发生错误折叠所导致的传染性海绵状脑病（又称prion疾病）是一种慢性并可在多种哺乳动物之间传播的致死性神经退行性疾病【1-4】。1997年诺贝尔生理或医学奖得主Prusiner S. B.最先描述了朊病毒（prions），即蛋白质感染因子【1】。常见的prion疾病有疯牛病（牛海绵状脑病bovine spongiform encephalopathy, BSE）、羊瘙痒症（Scrapie）及人的克雅氏病（Creutzfeldt-Jakob disease, CJD）、致死性家族失眠症（fatal familial insomnia, FFI）和格斯特曼氏综合征（Gerstmann-Strussler-Scheinker disease, GSS），还有鹿科动物的慢性消耗病（chronic wasting disease, CWD）等【1-4】。

蛋白质错误折叠形成淀粉样纤维导致包括prion疾病和老年痴呆症在内的许多神经退行性疾病，近5年来，冷冻电镜（Cryo-EM）技术为蛋白质错误折叠与疾病带来革命性的进展【5-7】。Prion疾病给人类健康带来了重大威胁，Science在15年前提出了未来的100年科学界最重要和最想揭开的125个谜题，其中就包括prion疾病的机制是什么【8】？Prion疾病的主要病理特征为PrP由细胞型朊蛋白（PrPC）转变为病理型朊病毒蛋白（PrPSc，PrPSc和PrP的淀粉样纤维可以作为模板诱导PrPC发生构象转变【1,3,9】。然而由于PrPSc和PrP纤维的不溶性和异质性，目前仍无高分辨率的PrPSc和全长PrP纤维的结构【9-12】。因此解析PrPSc和全长PrP纤维的高分辨率结构将为理解prion疾病的发病机制起到极大的推动。

针对这些科学问题，2020年6月8日，武汉大学生命科学学院梁毅教授团队和中国科学院上海有机所生物与化学交叉研究中心刘聪教授团队在Nature Structural & Molecular Biology上以长文（Article）形式在线发表了题为“Cryo-EM structure of an amyloid fibril formed by full-length human prion protein”的最新研究成果，首次在原子水平上解析了全长朊病毒蛋白纤维的高分辨率冷冻电镜结构（图1和图2），揭示了细胞型朊蛋白向病理型朊病毒蛋白结构转变的分子机制（图3）。

为了阐释细胞型朊蛋白向病理型朊病毒蛋白转变的结构基础，研究者们制备了高度均一的全长人朊蛋白淀粉样纤维，运用冷冻电镜结合三维重构技术在原子水平上解析了全长朊病毒蛋白纤维的高分辨率结构（2.70 ），发现朊蛋白纤维由两股原纤维以左手螺旋的方式缠绕而成，纤维宽度为25 nm，纤维核心直径是14 nm，半个螺旋周期为78.5 nm（图1）。

图1：全长人朊病毒蛋白纤维的冷冻电镜结构

为了进一步揭示全长人朊病毒蛋白纤维的原子结构模型，研究组发现PrP纤维核心主要由其C端的170-229组成，包含6个β-折叠结构（从β1到β6）。在朊蛋白聚集过程中，两股原纤维通过Lys194和Glu196之间形成的盐桥发生相互作用，在其相互作用的界面处形成了一个亲水腔（图2）。

图2：全长人朊病毒蛋白纤维的原子结构模型

同时，对于这样新奇的结构，研究团队对于其病理学意义进行了探索，发现在PrP纤维结构中形成盐桥的三个关键氨基酸残基Lys194、Glu196和Glu211都是与prion疾病相关联的病理突变位点。这项工作的实验结果表明，在PrP错误折叠过程中，PrPC C端的两个α-螺旋转变成PrP纤维的六个β-折叠结构，Cys179和Cys214之间的二硫键起到了稳定淀粉样纤维结构的作用（图3）。

图3：人野生型PrPC和PrP纤维结构比较

该研究首次在原子水平上揭示了PrP由PrPC向PrPSc结构转变的机制，启示不同的病理突变体在调节朊病毒蛋白构象转化中可能发挥着不同的作用，并使得发展新的基于PrP纤维结构的prion疾病治疗药物成为可能，具有重要的科学意义。

梁毅教授和刘聪教授为通讯作者，梁毅课题组博士研究生王利强和刘聪课题组博士研究生赵焜为共同第一作者，华中农业大学生命科学技术学院殷平教授和梁毅课题组博士研究生袁菡烨等参与了该论文的研究工作。

https://www.nature.com/articles/s41594-020-0441-5

制版人：嘉

参考文献

1. S.B. Prusiner. Prions. Proc. Natl. Acad.Sci. USA. 1998, 95, 13363-13383.

2. C.Soto. Prion hypothesis: the end of the controversy? Trends Biochem.Sci.2011,36, 151-158.

3. S.B. Prusiner. A unifying role for prions in neurodegenerative diseases.Science2012, 336, 1511-1513.

4. C.Scheckel, A. Aguzzi. Prions, prionoids and protein misfolding disorders.Nat.Rev. Genet. 2018, 19, 405-418.

5. B.Falcon, W. Zhang, A. G. Murzin, G. Murshudov, H. J. Garringer, R. Vidal, R. A.Crowther, B. Ghetti, S. H. W. Scheres, M. Goedert. Structures of filaments fromPick’s disease reveal a novel Tau protein fold.Nature2018, 561, 137-140.

6. B.Falcon, J. Zivanov, W. Zhang, A. G. Murzin, H. J. Garringer, R. Vidal, R.