發布日期：2018-03-15
世界衛生組織（WHO）預測，2040年神經退行性疾病將取代癌癥成為人類第二大致死疾病。至今為止還沒有任何針對這類疾病的有效治療方案，因此了解這類疾病的致病機理尤為迫切。包括阿茲海默癥（Alzheimer’s disease）、帕金森（Parkinson’s disease）、亨廷頓（Huntington’s disease）、以及肌萎縮側索硬化癥（ALS）在內的很多神經退行性疾病都具有一系列共同特征，那就是基因突變和個體衰老所引起的環境壓力最終導致的蛋白聚集。基于此，關于疾病發生的機制有兩個假說：蛋白聚集物本身帶來的獲得性毒性機制（gain of toxic function）和基因突變導致的關鍵蛋白功能缺失性細胞毒性（loss of critical physiological function）(Winklhofer et al., 2008)。
近期，來自德國馬普生物化學研究所Baumeister教授組分別與德國神經退行性疾病研究中心Edbauer教授組和Ulm大學Kochanek教授組合作，由郭強博士主要完成的工作一個月內在Cell和Nature雜志上相繼發表了題為“In Situ Structure of Neuronal C9orf72 Poly-GA Aggregates Reveals Proteasome Recruitment”和“The cryo-electron microscopy structure of huntingtin”的文章，利用冷凍電子斷層掃描技術和單顆粒三維重構技術分別解析了細胞原位的蛋白聚集物及其微環境的結構以及人源huntingtin蛋白的結構，為了解神經退行性疾病的發病機制提供了新思路。
第一篇
2月8日發表于Cell雜志的題為“In Situ Structure of Neuronal C9orf72 Poly-GA Aggregates Reveals Proteasome Recruitment”的研究論文 (Guo et al., 2018a)，在大鼠神經細胞原位解析了一種重復短肽（poly-GA）聚集的結構，為疾病發生中的“獲得性毒性機制”假說提供了有利的支撐。
研究認為，C9orf72基因的多拷貝突變是導致肌萎縮側索硬化癥（ALS）和額顳葉癡呆（FTD）的最主要遺傳因素。該多拷貝序列在病理狀態下會被翻譯為五種不同的重復短肽，繼而形成蛋白聚集。該研究工作選用其中最為常見的一種重復短肽（poly-GA）為研究對象，在大鼠神經細胞原位解析了該蛋白聚集的結構。研究者發現，不同于已經報道的Tau、A-beta、Huntingtin等神經退行性疾病相關蛋白形成的螺旋纖維狀結構，該蛋白是在細胞內形成了寬度長短不一的絲帶狀結構。
此外，該蛋白聚集物大量募集了蛋白酶體，導致蛋白聚集物區域的蛋白酶體濃度高達正常濃度的30倍，而其他生物大分子，如核糖體和分子伴侶卻被排除在聚集物外部。進一步的冷凍電鏡結構分析表明，雖然濃度增加，但與蛋白聚集物的接觸導致大量蛋白酶體處于失活狀態。結果，細胞在整體水平上的蛋白酶體表達量并沒有變化，而有功能的蛋白酶體的數量大幅減少，這可能就是蛋白聚集引起細胞毒性的原因。
值得一提的是，在冷凍電鏡技術層面上，該研究通過使用多種成像技術，首次實現了從光學顯微鏡的微米水平到一納米左右分辨率電子密度圖的多尺度樣品追蹤成像。
第二篇
3月1日發表于Nature的題為” The cryo-electron microscopy structure of huntingtin” 的研究論文(Guo et al., 2018b)，報道了人源huntingtin蛋白的冷凍電鏡結構，該研究有助于幫助人類了解亨廷頓舞蹈癥的關鍵蛋白huntingtin的生理功能。
亨廷頓舞蹈癥是由huntingtin基因突變引起的常染色體顯性遺傳的神經退行性疾病。盡管該疾病的致病基因在25年前就被確定，但該蛋白的結構及其確切功能至今依然未知。該研究中，研究者發現huntingtin結合蛋白HAP40可以穩定Huntingtin的三個結構域，這使得高分辨結構的解析成為可能。最終，研究者首次獲得了該蛋白的原子分辨率結構。
Huntingtin-HAP40復合物結構（圖片制作：Gabriele Stautener，ARTIFOX）
目前治療亨廷頓舞蹈癥最有潛力的方案是采用沉默Huntingtin基因的方式，即通過反義多聚核苷酸靶向該基因的mRNA，繼而通過降解mRNA達到基因沉默的目的。但是這一方法的弊端在于無法區分突變的huntingtin基因和正常huntingtin基因。因此，進一步了解huntingtin蛋白的功能對于優化這一治療方案，或研發新的治療方案，有著重要而深遠的意義。
郭強博士是Cell和Nature兩篇論文的共同第一作者，這兩項工作先后也受到A LZFORUM 、ScienceDaily 以及馬普學會的報道與關注。來自芝加哥西北大學的神經生物學家Teepu Siddique認為關于肌萎縮側索硬化癥（ALS）的這項工作非常重要，因為過去該領域沒有得到足夠的重視。而來自臺北“中研院”的同行Yun-Ru (Ruby) Chen表示，上述研究將會在相關領域產生重大影響。
參考文獻和資料：
1. Guo, Q., Lehmer, C., Martínez-Sánchez, A., Rudack, T., Beck, F., Hartmann, H., Pérez-Berlanga, M., Frottin, F., Hipp, M.S., Hartl, F.U., et al. (2018a). In Situ Structure of Neuronal C9orf72 Poly-GA Aggregates Reveals Proteasome Recruitment. Cell 172, 696–705.e12.
2. Guo, Q., Bin Huang, Cheng, J., Seefelder, M., Engler, T., Pfeifer, G., Oeckl, P., Otto, M., Moser, F., Maurer, M., et al. (2018b). The cryo-electron microscopy structure of huntingtin. Nature 555, 117–120.
3. Winklhofer, K.F., Tatzelt, J., and Haass, C. (2008). The two faces of protein misfolding: gain- and loss-of-function in neurodegenerative diseases. EMBO J. 27, 336–349.
4. https://www.alzforum.org/news/research-news/are-als-dipeptide-repeat-ribbons-entangling-proteasomes
來源：BioArt
