肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic lateral sclerosis,ALS）又称渐冻人症（6月21日正好是国际渐冻人日），是一种进行性的、致命的神经退行性疾病，其主要症状表现为运动皮层、脑干以及脊髓中的上、下运动神经元进行性的退化，它们的退化伴随而来的是肌无力、肌肉萎缩导致的瘫痪，以及最终因为呼吸衰竭而导致的死亡【1-5】。铜锌超氧化物歧化酶（SOD1）和TAR DNA结合蛋白43（TDP-43）在中枢神经系统的运动神经元形成纤维样聚集体是ALS的重要病理特征之一【1-6】。
SOD1主要位于细胞质中，也存在于细胞核和线粒体膜间隙中，是真核细胞抵抗活性氧（ROS）的抗氧化应激酶系中的重要成员【7】，sod1是最早被鉴定出与家族遗传型ALS相关的致病基因【1】。随着年龄的增大，细胞中特别是SOD1半衰期较长的运动神经元细胞中，SOD1受到损伤的风险增大，极易发生病变，造成ALS等相关神经退行性疾病【8】。
武汉大学梁毅团队和中国科学院上海有机所交叉中心刘聪团队长期合作聚焦朊病毒蛋白和类朊病毒蛋白病理聚集的结构基础及致病分子机制研究，前期工作解析了全长野生型朊病毒蛋白纤维和全长病理突变体E196K纤维的结构与功能，首次在原子水平上揭示了朊蛋白由细胞型朊蛋白（PrPC）向病理型朊病毒蛋白（PrPSc）结构转变的机制【9】（详见BioArt报道：NSMB | 梁毅/刘聪合作团队解析朊病毒蛋白纤维冷冻电镜结构），揭示了朊病毒蛋白病理聚集多态性的分子机制【10】（详见BioArt报道：Sci Adv | 梁毅/刘聪合作揭示朊病毒蛋白病理聚集多态性分子机制）。SOD1是一种类朊病毒蛋白，然而非常稳定的天然SOD1蛋白到底是怎么转化为具有致病结构的SOD1的仍是困扰科学界的谜题。
2022年6月17日，武汉大学梁毅团队和中国科学院上海有机所交叉中心刘聪团队在Nature Communications上在线发表了题为Cryo-EM structure of an amyloid fibril formed by full-length human SOD1 reveals its conformational conversion的长文（Article）。该研究全球首先解析铜锌超氧化物歧化酶（SOD1）纤维的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了渐冻人症（ALS）致病蛋白质SOD1构象转化分子机制，为发展新的基于SOD1纤维结构的ALS治疗药物奠定了基础。
为了阐释SOD1由生理型向病理型转变的结构基础，研究者们制备了高度均一的全长人SOD1淀粉样纤维，发现这些纤维具有显著的细胞毒性，能够诱导细胞内的线粒体功能紊乱，并运用冷冻电镜结合三维重构技术在原子水平上解析了全长SOD1纤维的高分辨率结构（2.95 Å），发现SOD1纤维由单股原纤维以左手螺旋的方式缠绕而成，纤维宽度为12.3 nm，纤维核心直径是11 nm，半个螺旋周期为73.1 nm。纤维核心的疏水氨基酸侧链向内折叠形成5个疏水空腔，起到了稳定淀粉样纤维结构的作用。
全长人SOD1纤维能够诱导细胞内的线粒体功能紊乱
为了进一步揭示SOD1淀粉样纤维的原子结构模型，研究组发现SOD1纤维核心由其N端的3-55区域和C端的86-153区域组成，而且这两个区域主要通过Lys36和Asp109之间、His43和Asp101之间以及His46和Glu100之间形成的3对盐桥紧密结合在一起。
全长人SOD1纤维的原子结构模型
对于这样新奇的结构，研究团队对于其病理学意义进行了探索，发现在SOD1纤维结构中形成盐桥的五个关键氨基酸残基His43、His46、Glu100、Asp101和Asp109都是与ALS相关联的病理突变位点。
通过比较脱辅基SOD1二聚体结构，研究团队提出，在SOD1错误折叠过程中，脱辅基SOD1亚基的一个α-螺旋和由8个β-折叠组成的β-桶状结构转变成SOD1纤维的13个β-折叠结构。
该研究首次在原子水平上揭示了SOD1由生理型向病理型结构转变的机制，启示不同的病理突变体在调节SOD1构象转化中可能发挥着不同的作用，并使得发展新的基于SOD1纤维结构的ALS治疗药物成为可能，为SOD1聚集体结构与致病功能的深入研究奠定了分子基础，具有重要的科学意义。
武汉大学生命科学学院梁毅教授和中国科学院上海有机所交叉中心刘聪研究员为该论文的共同通讯作者；武汉大学生命科学学院博士后王利强、中国科学院上海有机所交叉中心博士生马烨阳和武汉大学生命科学学院博士生袁菡烨为共同第一作者；华中农业大学生命科学技术学院殷平教授、中国科学院上海有机所交叉中心博士生赵焜和武汉大学土木建筑工程学院王正直副教授等参与了该论文的研究工作。
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31240-4
制版人：十一
参考文献
1. D. R. Rosen, T. Siddique, D. Patterson, D. A. Figlewicz, P. Sapp, A. Hentati, D. Donaldson, J. Goto, J. P. O'regan, , H. X. Deng, Z. Rahmani, A. Krizus, D. M. Yasek, A. Cayabyab, S. M. Gaston, R. Berger, R. E. Tanzi, J. J. Halperin, B. Herzfeldt, R. V. den Bergh, W. Y. Hung, T. Bird, G. Deng, D. W. Mulder, C. Smyth, N. G. Laing, E. Soriano, M. A. P. Vance, J. Haines, G. A. Rouleau, J. S. Gusella, H. R. Horvitz, R. H. Brown, Jr. Mutations in Cu/Zn superoxide dismutase gene are associated with familial amyotrophic lateral sclerosis.Nature1993, 362 (6415), 59-62.
2. J. I. Ayers, D. R. Borchelt. Phenotypic diversity in ALS and the role of poly‑conformational protein misfolding.Acta Neuropathol.2021, 142(1), 41-55.
3. B. F. Shaw, J. S. Valentine. How do ALS-associated mutations in superoxide dismutase 1 promote aggregation of the protein?Trends. Biochem. Sci.2007, 32(2), 78-85.
4. W. C. Xu, J. Z. Liang, C. Li, Z. X. He, H. Y. Yuan, B. Y. Huang, X. L. Liu, B. Tang, D. W. Pang, H. N. Du, Y. Yang, J. Chen, L. Wang, M. Zhang, Y. Liang. Pathological hydrogen peroxide triggers the fibrillization of wild-type SOD1 via sulfenic acid modification of Cys-111.Cell Death Dis.2018, 9(2), 67.
5. M. Polymenidou, D. W. Cleveland. The seeds of neurodegeneration: prion-like spreading in ALS.Cell2011, 147(3), 498-508.
6. S. Ajroud-Driss, T. Siddique. Sporadic and hereditary amyotrophic lateral sclerosis (ALS).BBA - Mol. Basis Dis.2015, 1852(4), 679-684.
7. A. Magrì, M. C. Di Rosa, M. F. Tomasello, F. Guarino, S. Reina, A. Messina, V. De Pinto. Overexpression of human SOD1 in VDAC1-less yeast restores mitochondrial functionality modulating beta-barrel outer membrane protein genes.BBA-Biomembranes2016, 1857(6), 789-798.
8. G. Dobrowolny, M. Aucello, E. Rizzuto, S. Beccafico, C. Mammucari, S. Bonconpagni, S. Belia, F.Wannenes, C. Nicoletti, Z. D. Prete, N. Rosenthal, M. Molinaro, F. Protasi, G. Fanò, M. Sandri, A. Musarò. Skeletal muscle is a primary target of SOD1G93A-mediated toxicity.Cell Metab.2008, 8(5), 425-436.
9. L. Q. Wang, K. Zhao, H. Y. Yuan, Q. Wang, Z. Guan, J. Tao, X. N. Li, Y. Sun, C. W. Yi, J. Chen, D. Li, D. Zhang, P. Yin, C. Liu, Y. Liang. Cryo-EM structure of an amyloid fibril formed by full-length human prion protein.Nat. Struct. Mol. Biol.2020, 27(6), 598-602.
10. L. Q. Wang, K. Zhao, H. Y. Yuan, X. N. Li, H. B. Dang, Y. Ma, Q. Wang, C. Wang, Y. Sun, J. Chen, D. Li, D. Zhang, P. Yin, C. Liu, Y. Liang. Genetic prion disease-related mutation E196K displays a novel amyloid fibril structure revealed by cryo-EM.Sci. Adv.2021, 7(37), eabg9676.
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