Nat Struct Mol Biol: 我国科学家成功解析全长朊病毒蛋白纤维高分辨率冷冻电镜结构

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。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。朊病毒蛋白由宿主基因PRNP编码，正确折叠的蛋白质不仅没有致病性和感染性，还具有重要的生理功能；其错误折叠后则会转变为具有感染性的朊病毒，能够导致人类和家畜患中枢神经系统退化性病变，最终不治而亡。世界卫生组织将prion疾病和艾滋病并立为世纪之最危害人体健康的顽疾。在人和其他哺乳动物中，常见的prion疾病有疯牛病（BSE）、羊瘙痒症（Scrapie）及人的克雅氏病（CJD）、致死性家族失眠症（FFI）和格斯特曼氏综合征（GSS），还有貂传染性脑病和鹿科动物的慢性消耗病（CWD）等。Prion疾病的主要病理特征为PrP由细胞型朊蛋白（PrP^C）转变为病理型朊病毒蛋白（PrP^Sc），PrP^Sc和PrP的淀粉样纤维可以作为模板诱导PrP^C发生构象转变。然而由于PrP^Sc和PrP纤维的不溶性和异质性，目前仍无高分辨率的PrP^Sc和全长PrP纤维的结构，这极大地限制了基于PrP纤维结构的prion疾病治疗药物的研发。而冷冻电镜（Cryo-EM）技术为蛋白质错误折叠与疾病带来革命性的进展，利用冷冻电镜技术解析PrP^Sc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作用。

在朊病毒蛋白前期工作的基础上，武汉大学生科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、华中农业大学生命科学技术学院殷平教授团队合作，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（2.70 Å），发现PrP纤维核心主要由其C端的170-229组成。相关结果于2020年6月8日在Nature Structural & Molecular Biology杂志以长文（Article）形式发表论文，第一作者为王利强和赵焜。

在这项研究中，作者首先制备了高度均一的全长人朊蛋白淀粉样纤维，并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 Å），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。

作者接着发现，朊蛋白纤维由两股原纤维以左手螺旋的方式缠绕而成，每股原纤维的核心包含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。

同时，对于这样新奇的结构，作者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，PrP^C 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。

这项研究在原子水平上揭示了PrP由PrP^C向PrP^Sc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，为PrP^Sc结构与致病功能的深入研究奠定了分子基础，具有重要的科学意义。

原文：

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

Cryo-EM structure of an amyloid fibril formed by full-length human prion protein

Li-Qiang Wang#, Kun Zhao#, Han-Ye Yuan, Qiang Wang, Zeyuan Guan, JingTao, Xiang-Ning Li, Yunpeng Sun, Chuan-Wei Yi, Jie Chen, Dan Li, Delin Zhang, Ping Yin, Cong Liu*, Yi Liang*

Nat. Struct. Mol. Biol., 2020, DOI: 10.1038/s41594-020-0441-5

梁毅教授简介

梁毅教授课题组聚焦神经退行性疾病相关重要蛋白质朊病毒蛋白、Tau蛋白、SOD1和TDP-43及其病理突变体淀粉样纤维的冷冻电镜（cryo-EM）结构测定及功能研究，研究内容涵盖上述蛋白质的翻译后修饰、液-液相分离、折叠/错误折叠及其致病机制，金属离子、分子伴侣及其翻译后修饰对Tau蛋白液-液相分离、聚集和功能的调控机制。在蛋白质纤维冷冻电镜结构、蛋白质折叠/错误折叠的机制及其质量控制研究领域取得了一系列重要成果。迄今为止，在Nature Structural & Molecular Biology, Cell Death & Disease, Journal of Molecular Biology, Journal of Biological Chemistry, Protein & Cell等期刊上以第一/通讯作者身份累计发表SCI收录论文80余篇，申请/授权国家发明专利9/5项，主编“十一五”和“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材《结构生物学》1部；主持国家级科研项目12项，参与国家级科研项目3项；作为第一完成人获得湖北省自然科学奖二等奖1项，湖北省优秀博士学位论文指导教师奖1项。先后当选教育部“新世纪优秀人才”，中国生物化学与分子生物学会酶学专业委员会常务委员、蛋白质专业委员会委员，现任中国生物化学与分子生物学会理事，中国生物物理学会生物微量元素分会副秘书长、分子生物物理分会理事，湖北省生物化学与分子生物学学会副理事长，《Acta Biochimica et Biophysica Sinica》(SCI源刊)编委，《生命的化学》编委。

X-MOL导师网页：

梁毅

https://www.x-mol.com/university/faculty/49943

刘聪

https://www.x-mol.com/university/faculty/60195