加快打造原始創(chuàng)新策源地,加快突破關(guān)鍵核心技術(shù),努力搶占科技制高點,為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,率先實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展,率先建成國家創(chuàng)新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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上海有機所劉聰課題組合作建立化學(xué)小分子與淀粉樣蛋白聚集體互作基本理論

發(fā)布時間:2023-07-07 【字體: 】【打印】 【關(guān)閉

  病理性淀粉樣蛋白聚集是多種神經(jīng)退行性疾?。ㄈ绨柎暮D『团两鹕〉龋┑年P(guān)鍵病理學(xué)標(biāo)志物和治療靶點。使用小分子靶向病理性的淀粉樣蛋白纖維可用于多種神經(jīng)退行性疾病早期診斷和精準(zhǔn)治療。因此,臨床上亟需特異性結(jié)合淀粉樣蛋白纖維的小分子示蹤劑和抑制劑。然而,由于淀粉樣蛋白纖維的折疊組裝結(jié)構(gòu)與天然構(gòu)象的蛋白具有顯著差別,相比于靶向蛋白天然構(gòu)象小分子設(shè)計與研發(fā)的海量知識與成功案例,目前,缺乏小分子配體與纖維相互作用的精確機制,使得我們無法基于結(jié)構(gòu)研發(fā)特異性結(jié)合病理聚集體的化學(xué)小分子。  

  中國科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心劉聰課題組長期聚焦神經(jīng)退行性疾病關(guān)鍵致病蛋白相變聚集機制與化學(xué)調(diào)控研究,一系列工作揭示淀粉樣蛋白纖維結(jié)構(gòu)的高度多態(tài)性,闡釋了其與蛋白天然構(gòu)象的本質(zhì)差別,并揭示了其在帕金森病等神經(jīng)退行性疾病發(fā)展中的關(guān)鍵作用Nat Chem Biol, 2021, 17, 237;Nat Rev Neurosci, 2022, 23, 523)。近年來,劉聰課題組與上海交通大學(xué)李丹課題組合作,進(jìn)一步聚焦“化學(xué)分子如何識別病理蛋白聚集體”這一蛋白相變聚集領(lǐng)域的核心科學(xué)問題,通過綜合運用結(jié)構(gòu)生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)等研究方法,首次系統(tǒng)地揭示了具有不同結(jié)構(gòu)的小分子化合物與蛋白病理聚集體相互作用的基本原理。相關(guān)研究工作于2023年7月3日在Nature Chemical Biology期刊上發(fā)表,研究論文的題目為“Structural mechanism for specific binding of chemical compounds to amyloid fibrils”。該工作是對蛋白質(zhì)-配體相互作用理論的革新,并為神經(jīng)退行性疾病小分子示蹤劑的合理設(shè)計和優(yōu)化提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 

  

  在此項工作中,研究人員基于化合物庫建立了高通量淀粉樣蛋白纖維配體篩選方法,并由此方法發(fā)現(xiàn)了新的帕金森病致病蛋白α-突觸核蛋白(α-synuclein,α-syn)纖維配體骨架。接下來,研究人員通過冷凍電鏡螺旋重構(gòu)技術(shù)解析了包括篩選獲得的聚集體的配體,臨床前顯像示蹤劑,以及經(jīng)典淀粉樣蛋白染料等9個不同結(jié)構(gòu)的小分子與α-syn纖維結(jié)合的原子結(jié)構(gòu)(圖1)。這些結(jié)構(gòu)信息揭示了小分子化合物與淀粉樣蛋白纖維相互作用的基本機制,與傳統(tǒng)的配體-天然蛋白質(zhì)互作存在顯著差異:天然蛋白質(zhì)的配體結(jié)合口袋通常是三維的;淀粉樣蛋白纖維的配體結(jié)合位點實際上是溝槽狀,在纖維軸方向上是開放的,只有二維限制,因此配體需要建立沿纖維軸的相互作用限制,使其能夠像天然蛋白質(zhì)的配體一樣特異性地結(jié)合。小分子之間的配體-配體π-π相互作用提供了這種特異性結(jié)合必需的限制。 

  圖1 不同小分子與α-syn纖維結(jié)合熒光變化和冷凍電鏡密度圖 

  研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)具有不同骨架的化合物能夠通過多種不同的取向結(jié)合到α-syn纖維的不同結(jié)合位點(圖2a、2b),并定義了配體識別并結(jié)合纖維的三種主要的向及結(jié)合模式:對角線取向(diagonal geometry,分子平面與纖維軸呈約45o角)、水平取向(horizontal geometry,分子平面平行于蛋白分子平面)、垂直取向(vertical geometry,分子平面垂直于蛋白分子平面)。三種取向?qū)?yīng)不同形式的配體-配體π-π相互作用,以及依次降低的結(jié)合特異性(圖2c。因此,除了傳統(tǒng)的配體-蛋白質(zhì)相互作用,配體-配體相互作用協(xié)同貢獻(xiàn)了小分子結(jié)合淀粉樣蛋白纖維的特異性。此外,研究人員在體外重組的α-syn纖維和來自多系統(tǒng)萎縮患者的離體α-syn病理纖維結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了一個可靶向的高度保守的配體結(jié)合口袋。為基于此口袋的廣譜型α-syn纖維示蹤劑設(shè)計、篩選和優(yōu)化提供了重要的設(shè)計思路和靶點。 

  

 

 

  2 化學(xué)小分子-淀粉樣蛋白纖維復(fù)合物中的配體結(jié)合取向和特異性 

  綜上,此項研究闡釋了蛋白淀粉樣聚集狀態(tài)下獨特的小分子配體結(jié)合模式,為基于結(jié)構(gòu)開發(fā)能夠特異識別蛋白聚集體的小分子示蹤劑提供了重要的理論支持和技術(shù)平臺?;谝陨匣A(chǔ)理論的探究,劉聰課題組與李丹課題組合作,正在綜合運用基于原子結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計、基于高通量篩選的化合物骨架篩選,以及一系列動物模型、離體組織驗證方法,以開發(fā)一系列能夠特異性識別α-syn病理聚集的小分子先導(dǎo)化合物,用于臨床正電子發(fā)射斷層掃描(PET成像示蹤劑的研發(fā),從而推動帕金森病及相關(guān)突觸核蛋白病的早期診斷以及精準(zhǔn)病理分型的研究。相關(guān)成果將為迫切的臨床診斷和治療需求帶來希望。  

  上海交通大學(xué)Bio-X研究院陶友琦博士,中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心博士研究生夏文程,上海交通大學(xué)Bio-X研究院博士研究生趙欽玥為該論文的共同第一作者。劉聰研究員和李丹教授為通訊作者。此項工作得到中國科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心譚立課題組、中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所湯文軍課題組大力幫助,得到中國科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心生物電鏡平臺、高通量藥物篩選平臺的技術(shù)支持。此項工作受到國家自然科學(xué)基金、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、上海市科學(xué)技術(shù)委員會、中國科學(xué)院上海分院等基金的資助。  

  論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41589-023-01370-x