α-突觸核蛋白（α-syn）作為帕金森?。≒D）、路易體癡呆（DLB）、多系統萎縮（MSA）等神經退行性疾病的關鍵致病蛋白，具有在不同條件下形成不同結構和病理毒性的淀粉樣纖維聚集的能力。近期研究發現，來自MSA，PD及DLB患者腦中的α-syn 病理纖維結構均含有不同的化學配體通過與附近氨基酸殘基的非共價作用參與特定α-syn聚集纖維構象的形成。盡管這些化學配體尚未獲得鑒定，但其顯然與α-syn纖維的構象選擇以及病理毒性高度相關。因此，不同的化學配體如何影響α-syn病理聚集并決定纖維結構是本領域的一個重要的前沿科學問題。
2022年7月22日，交叉中心劉聰課題組與上海交通大學Bio-X研究院李丹課題組合作在Nature Communications上發表標題為Heparin induces α-synuclein to form new fibril polymorphs with attenuated neuropathology的最新研究成果。在此項工作中，研究人員報道了富含負電的糖胺聚糖——肝素（heparin）能夠高效的誘導α-syn形成全新構象的聚集纖維復合物（hep-α-syn）。有趣的是，hep-α-syn纖維復合物通過削弱α-syn纖維被細胞攝取的效率以及播種能力減弱其在神經元上的病理毒性。進一步的機制研究發現，heparin作為長鏈生物多聚物能夠通過在分子內和原纖維間水平上重排α-syn的電荷互作模式來調控α-syn纖維的折疊和組裝，從而誘導產生具有全新結構的α-syn纖維構象。此項工作揭示了化學配體在調控病理淀粉樣纖維的構象選擇和病理毒性中的重要作用。
在本工作中，研究人員首先發現相比于apo-α-syn對照組，糖胺聚糖heparin顯著加速了α-syn單體的聚集纖維化速率，并誘導其形成具有截然不同形態的hep-α-syn纖維（圖1）。更為重要的是，具有新穎形態的hep-α-syn纖維與apo-α-syn纖維對比，在神經元水平呈現出顯著降低的病理毒性（圖1）。通過更細致的表征hep-α-syn纖維復合物的“病理功能畫像”（pathological profile），研究人員發現heparin誘導產生纖維神經病理毒性的降低是通過三個方面來實現的，包括：（1）削弱纖維與神經元細胞表面結合；（2）降低纖維被神經元細胞攝取的效率；（3）抑制纖維在神經元中播種和誘導內源α-syn聚集的能力。
進一步，通過冷凍電鏡（cryo-EM）三維螺旋重構技術，研究人員解析了hep-α-syn纖維的高分辨率電鏡結構，發現其由4種不同的纖維構象（polymorphs）構成（分別命名為Hep-P1，Hep-P2，Hep-P3，以及Hep-P4）。值得注意的是，在hep-α-syn的polymorphs結構中可以明確的觀察到存在于α-syn纖維周圍或原纖維界面的額外密度，這些密度靠近α-syn表面的賴氨酸（Lys）殘基（圖2）。通過分子對接，搭建了heparin和α-syn纖維相互作用的原子模型，發現作為富含負電的生物聚合物，heparin能夠通過其磺酸基團沿纖維軸結合在由Lys形成的正電表面上（圖2）。
圖1. Heparin誘導促進α-syn形成全新纖維構象，并呈現顯著降低的神經元毒性
通過進一步的分析，研究人員發現Hep-P1，Hep-P2以及Hep-P3的原纖維核心結構與體外重構的α-syn polymorph 2相似，然而heparin與Lys的電荷相互作用穩定了這些polymorphs的原纖維組裝界面，從而介導了新的polymorphs形成。在Hep-P1中，heparin穩定了α-syn的單股原纖維表面；而在Hep-P3中，heparin介導兩股原纖維形成新的組裝界面（圖3）。此外，heparin通過誘導分子內的結構重排，使Hep-P4折疊成全新的“Z”形構象。Heparin與Lys80的靜電相互作用使其暴露于溶劑中，并阻止了N端的包裹。有趣的是，Hep-P4纖維核心的N端具有與α-syn Polymorph 2相似的拓撲結構，其C端具有與α-syn Polymorph 1相似的拓撲結構，從而使其表現為α-syn纖維結構中兩種常見“構象原型”（prototype）的混合體纖維構象。
圖2. Heparin誘導α-syn形成具有構象多態性的纖維原子結構分析
綜上，本工作通過對hep-α-syn纖維復合物的動態組裝機制、細胞毒性以及纖維原子結構的系統研究，闡釋了糖胺聚糖作為一種特定形式的化學配體是如何通過復雜的非共價相互作用調控病理淀粉樣纖維的折疊和組裝，并影響其病理毒性。本工作為理解其它生物大分子誘導病理淀粉樣纖維聚集體在神經退行性疾病中的演化和病理作用提供了基礎, 并為設計與發展化學配體抑制神經退行性疾病關鍵蛋白聚集體的病理毒性提供了新的思路。
圖3. Heparin誘導α-syn形成不同polymorphs的機制示意圖
上海交通大學Bio-X研究院博士研究生陶友琦和中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心博士研究生孫云鵬為該論文的共同第一作者。論文的合作單位包括：上海交通大學Bio-X研究院、中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心、浙江大學生命科學學院，以及四川省人民醫院神經病學研究所。
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