淀粉樣蛋白纖維的異常沉積是阿爾茲海默病、帕金森病、漸凍癥等多種神經(jīng)退行性疾病的核心病理標(biāo)志物，也是實(shí)現(xiàn)這些疾病早期診斷和治療的關(guān)鍵靶點(diǎn)。然而，有別于蛋白的天然構(gòu)象，淀粉樣蛋白聚集具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)多態(tài)性（structural polymorphism），即同一病理蛋白在不同條件下可能形成結(jié)構(gòu)迥異的淀粉樣聚集（amyloid polymorphs）。這些polymorphs具有不同的病理毒性，與不同的疾病亞型緊密相關(guān)，為開發(fā)特異性識別特定polymorph的化學(xué)小分子PET探針及抑制劑帶來了挑戰(zhàn)。

2024年8月22日，來自中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心的劉聰課題組在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）期刊上發(fā)表了文章“Binding adaptability of chemical ligands to polymorphic α-synuclein amyloid fibrils”。該研究系統(tǒng)分析了不同化學(xué)小分子與帕金森病關(guān)鍵病理蛋白α-突觸核蛋白（α-synuclein，α-syn）形成的不同amyloid polymorphs的結(jié)合位點(diǎn)與模式，首次揭示了小分子在識別與結(jié)合不同polymorphs時的高度可塑性。該工作是在劉聰課題組2023年提出的化學(xué)分子與淀粉樣聚集互作的基本規(guī)律（https://www.nature.com/articles/s41589-023-01370-x）的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化的成果。這項(xiàng)工作進(jìn)一步拓展和完善了化學(xué)分子與淀粉樣聚集的互作理論，而且為病理蛋白聚集纖維的分子探針設(shè)計(jì)、研發(fā)以及其在臨床應(yīng)用中的潛力展現(xiàn)了新的前景。

在本項(xiàng)研究中，研究人員對七種不同骨架的小分子與攜帶E46K突變的α-syn淀粉樣聚集的結(jié)合特性進(jìn)行了深入分析，并將其與對野生型α-syn形成的polymorph 1a的結(jié)合特性進(jìn)行了細(xì)致對比。利用表面等離子共振技術(shù)，研究人員測定了這些小分子對E46Kpolymorph的親和力，并觀察到它們對兩種α-syn polymorphs 展現(xiàn)出相似的親和力。進(jìn)一步地，研究者人員采用冷凍電鏡三維螺旋重構(gòu)技術(shù)對小分子-E46K polymorph復(fù)合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)解析，揭示了小分子在不同polymorphs中的具體結(jié)合位點(diǎn)和結(jié)合模式。研究結(jié)果表明，與天然蛋白質(zhì)的三維結(jié)合口袋相比，淀粉樣聚集的二維管狀結(jié)合界面空間限制較小，為小分子提供了更多的結(jié)合自由度。這一特點(diǎn)使得小分子能夠通過不同的取向與不同的結(jié)合位點(diǎn)相互作用，從而實(shí)現(xiàn)了對不同amyloid polymorphs的識別和可塑性結(jié)合。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，通過改變小分子的骨架和官能團(tuán)，可以對其結(jié)合可塑性進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。這一發(fā)現(xiàn)不僅豐富了我們對小分子與淀粉樣蛋白聚集互作機(jī)制的認(rèn)識，而且為設(shè)計(jì)具有高親和力和高選擇性的分子探針提供了重要的結(jié)構(gòu)和化學(xué)基礎(chǔ)。

圖1 F0502B的結(jié)合可塑性

（a）表面等離子共振技術(shù)分析F0502B與三種α-syn amyloid polymorphs的親和力。（b）ThT與F0502B的化學(xué)結(jié)構(gòu)。（c, d）F0502B與E46K polymorph（c）和WT polymorph 5a（d）的結(jié)合情況。分別展示了F0502B與兩種polymorphs形成的復(fù)合物的冷凍電鏡密度圖、F0502B在兩種polymorphs中的結(jié)合位點(diǎn)與結(jié)合模式的二維分析、以及F0502B在各個結(jié)合位點(diǎn)的放大圖。（e）F0502B在不同polymorphs中的結(jié)合位點(diǎn)的總結(jié)與分類。（f）F0502B與WT polymorph 5a Site I （上）以及WT polymorph 1a N-pocket（下）的相互作用圖譜。

綜上，此項(xiàng)工作系統(tǒng)地研究了化學(xué)分子對病理蛋白聚集體不同polymorphs的結(jié)合特性，揭示了小分子在識別與結(jié)合不同polymorphs時的高度可塑性與適應(yīng)性。本研究拓展了對小分子-淀粉樣蛋白聚集體互作機(jī)制的理解，同時為淀粉樣蛋白聚集特異性PET探針的開發(fā)帶來了新的思考，為開發(fā)神經(jīng)退行性疾病的精準(zhǔn)分子診斷工具奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心博士研究生劉凱恩和上海交通大學(xué)Bio-X研究院已畢業(yè)博士研究生陶友琦為該論文的共同第一作者。劉聰研究員為通訊作者。此項(xiàng)工作獲得中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所李昂課題組的大力支持。本項(xiàng)目受到國家自然基金委，中國科學(xué)院及上海市科委的基金支持。

原文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2321633121