NSMB | 曹骎等解析人胰岛淀粉样多肽纤维冷冻电镜结构

来源：BioArt

淀粉样蛋白纤维（amyloid fibrils）是一种常见的蛋白质聚集形式，被广泛认为与一些人类疾病紧密相关，如β淀粉样蛋白（amyloid-β, Aβ）与tau蛋白之于阿尔兹海默式症，以及人胰岛淀粉样多肽（human islet amyloid polypeptide, hIAPP）之于II型糖尿病【1】。胰岛淀粉样多肽是一个由胰岛细胞分泌的蛋白激素，与胰岛素共同参与血糖水平的调节【2】。人胰岛淀粉样多肽的纤维化聚集存在于超过90%的II型糖尿病病人的胰脏组织内，并且被认为在II型糖尿病的发病机制中起到了重要作用【3】。近期，基于冷冻电镜的螺旋重构技术成为解析淀粉样蛋白纤维的近原子分辨率结构的重要工具【4-6】。获取淀粉样蛋白纤维的分子结构信息可以帮助我们了解该蛋白聚集的分子机制，并且有助于设计抑制剂以消除或减缓该蛋白的聚集，从而推动对于相关疾病的发病机理以及治疗方法的研究。因此解析人胰岛淀粉样多肽的纤维结构可以极大地促进我们对II型糖尿病分子机制的理解以及对其治疗药物的研发。
2020年6月15日，加州大学洛杉矶分校的David Eisenberg团队（曹骎博士为第一作者）在Nature Structural & Molecular Biology上以长文的形式在线发表了题为“Cryo-EM structure and inhibitor design of human IAPP (amylin) fibrils”的最新研究成果，首次在近原子水平上解析了全长人胰岛淀粉样多肽纤维的冷冻电镜结构（图1和图2），并且在该结构的基础上设计了可延缓人胰岛淀粉样多肽体外聚集的抑制剂，为II型糖尿病的药物研发提供了新的思路。
图1 全长人胰岛淀粉样多肽纤维的冷冻电镜结构
在此研究中，研究团队通过体外重组的方法制备了高纯度的人胰岛淀粉样多肽，得到了均一的人胰岛淀粉样多肽纤维样品，并通过冷冻电镜以及螺旋三维重构技术解析了人胰岛淀粉样多肽纤维的高分辨率结构（3.7 Å）。该结构呈现类似于旋转阶梯的螺旋状，而阶梯每一“层”由两个对称的人胰岛淀粉样多肽分子构成。这两个分子的排列非常紧密，将许多疏水氨基酸包裹在纤维的核心位置，从而形成了非常稳定的整体结构（图1和图2）。这样的结构解释了人胰岛淀粉样多肽纤维的稳定性，也符合人胰岛淀粉样多肽纤维的致病性角色—淀粉样蛋白纤维的一个共通的潜在致病机理是由于其结构的超稳定性，导致其生成后无法有效被细胞清除，从而引发疾病【1】。

图2 人胰岛淀粉样多肽纤维结构的分析
研究人员发现，此次解析的人胰岛淀粉样多肽纤维结构可以验证早期关于该蛋白聚集机制的预测，或是可以解释早期研究中发现的一些现象。首先，早先的研究发现，在组成人胰岛淀粉样多肽的37个氨基酸残基中，其聚集核心位于氨基酸20-29，其它的一些研究也发现一些分布于氨基酸13-37的额外聚集核心区， 而氨基酸1-13无法自行发生纤维化，因此可能跟聚集无关【7-10】。这些预测与此次解析的纤维结构非常相符：在该结构中，氨基酸14-37是可见的，而没有观察到氨基酸1-13，说明这段区域没有固定的构象，也不参与纤维形成；同时，氨基酸20-29位于非常核心的位置，是稳定该纤维结构的重要组成部分（图1）。
其次，早先的研究发现了存在于一些亚洲病人体内的人胰岛淀粉样多肽的一个遗传性突变体，S20G（即第20位的丝氨酸突变为谷氨酸）。该突变会加速人胰岛淀粉样多肽的纤维化聚集，并且降低II型糖尿病的发病年限【11】。此次解析的人胰岛淀粉样多肽纤维结构可以解释该现象：在此结构中，20位的丝氨酸呈现了一个φ主链二面角为正值的构象（图2），这种构象仅适合于谷氨酸—谷氨酸是唯一没有侧链的氨基酸，对于其它氨基酸来说，侧链造成的空间位阻不利于这种构象的稳定—因此可以推测当丝氨基酸被突变为谷氨酸后，侧链造成的空间位阻消失，因此稳定了该结构，从而加速了人胰岛淀粉样多肽的纤维化。
此外，该结构还解释了为何鼠源的胰岛淀粉样多肽不会发生聚集，从而使得鼠类不会罹患II型糖尿病【12】：鼠源胰岛淀粉样多肽与人源相比有6个氨基酸的差异，而通过在此次解析的人胰岛淀粉样多肽纤维结构上标识这些差异，可以发现它们均位于纤维的核心位置（图2），因此这些氨基酸的变异会严重影响该结构的形成，从而阻止了鼠源胰岛淀粉样多肽的聚集。
同时，早先的临床研究指出II型糖尿病患者有更高的阿尔兹海默式症的得病机率（反之亦然）【13】。研究人员通过比对此次解析的人胰岛淀粉样多肽纤维结构与早先报道的β淀粉样蛋白纤维结构，找到了两个由6个氨基酸组成的小片段，两种蛋白形成的纤维在这些片段上有非常高度的结构相似性（图2），因此可以介导两种蛋白纤维化的相互接种—即一种蛋白的纤维可以加速另一种蛋白单体的纤维化聚集，这个现象被认为是II型糖尿病与阿尔兹海默式症在临床上相互关联的分子机理【14】。
最后，研究人员通过一种“盖帽策略”设计了可延缓人胰岛淀粉样多肽体外聚集的抑制剂（图3）。这种策略的原理是基于纤维的分子结构，设计可以结合在纤维两端的小分子、多肽或小型蛋白，从而通过空间位阻防止新的蛋白单体添加在纤维两端，从而抑制纤维的生长。通过这种策略，研究人员设计了六个潜在的人胰岛淀粉样多肽的纤维化抑制剂，其中四个被证明可以延缓人胰岛淀粉样多肽的体外纤维化。这个研究第一次证明了“盖帽策略”可以被应用于全长的淀粉样纤维结构上，同时提供了针对人胰岛淀粉样多肽纤维化的II型糖尿病药物研发的良好开端。
图3 基于人胰岛淀粉样多肽纤维结构的抑制剂设计
此研究的通讯作者为加州大学洛杉矶分校的David Eisenberg教授，第一作者为曹骎博士。Eisenberg课题组的David Boyer以及Michael Sawaya共同参与了该研究工作。