α-突触核蛋白与脂质互作的结构基础及在帕金森病中的病理意义

Amyloid proteins are closed associated with a variety of devastating neurodegenerative diseases. Because of the high structural flexibility, amyloid proteins are capable of self-assembling into different conformations assoicated with their distinct physiological or pathological roles. However, it remains unknown how the different amyloid conformations are recognized and regulated in vivo by endogenous metabolites Nor do we know the structural basis of the interplay and its pathological consequence? In this proposal, we focus on α-syn, the key player in Parkinson’s (PD). We aim to (1) identify endogenous lipids which specifically bind to different conformer of α-syn by using lipidomics approach; (2) determine the atomic structure of α-syn and lipid complex by electron diffraction and other approaches; (3) reveal the molecular mechanism underlying the regulation of lipids on conformational transmission and selection among different α-syn conformations in vivo. Based on the lipids identified, structure-based design will be performed to develop small molecules to inhibit the formation of pathogenic conformer of α-syn. The study will shed light on understanding of the mechanism of PD and facilitate drug discovery.

淀粉样蛋白质与多种重大神经退行性疾病密切相关。其在结构上具有高度的柔性。在体内不同内源分子的调控下，同一蛋白可自组装形成多种不同的淀粉样聚集构象，分别执行不同生理功能和病理毒性。然而，截然不同的蛋白构象在体内是如何被内源小分子识别和调控的, 其结构基础是什么? 哪些过程的失调会引起疾病？这一系列问题一直是本领域的热点和难点。本项目拟以帕金森病致病淀粉样蛋白α-syn为对象。运用基于质谱的代谢组学高通量筛选结合及调控α-syn不同聚集结构的内源脂质分子。进一步发展新颖的结构生物学方法揭示其相互作用的原子结构基础。结合细胞实验阐释内源脂质介导的α-syn构象变化的生理功能及病理毒性的分子机制，为帕金森症致病的分子机制研究提供理论依据。进一步，以鉴定的脂质分子为模板，设计α-syn毒性聚集体的抑制剂，为帕金森病的药物开发提供新思路。

淀粉样蛋白质与多种重大神经退行性疾病密切相关。其在结构上具有高度的柔性。在体内不同内源分子的调控下，同一蛋白可自组装形成多种不同的淀粉样聚集构象，分别执行不同生理功能和病理毒性。然而，截然不同的蛋白构象在体内是如何被内源小分子识别和调控的,其结构基础是什么? 哪些过程的失调会引起疾病？这一系列问题一直是本领域的热点和难点。.本项目以帕金森病（Parkinson’s disease, PD）致病淀粉样蛋白α-突触核蛋白（α-synuclein，α-syn）为研究对象。首先运用基于质谱的代谢组学高通量筛选结合α-syn不同聚集结构的内源脂质分子。我们分别在体外、细胞水平以及小鼠脑组织水平，系统地筛选和鉴定了与不同构象的α-syn（单体、寡聚体和淀粉样纤维）、细胞内α-syn单体和大脑内源性α-syn特异性结合的内源脂质分子。我们发现结合不同α-syn构象的脂质分子存在显著的差异。我们首次发现α-syn单体能够高亲和性地结合溶血磷脂，二者在神经元中共定位。并且溶血磷脂中的血磷脂酰胆碱（lysophosphatidylcholine，lysoPC）在突触小泡的脂筏上富集。突触小泡上的lysoPC可能直接结合α-syn并促进突触小泡集群转运这一重要的生理过程。我们进一步揭示了α-syn与其内源脂质分子相互作用的结构基础。α-Syn蛋白N端前100个氨基酸与lysoPC相互作用，lysoPC的加入使α-syn从无规则卷曲结构变为更稳定的α-螺旋结构，并且不容易聚集成病理毒性的淀粉样纤维。降低细胞内溶血磷脂的含量或者引入家族性PD相关突变A30P来破坏溶血磷脂与α-syn的相互作用都会促进α-syn形成病理毒性的淀粉样聚集。最后我们发现肝素可以诱导α-syn形成具有较低的神经毒性的淀粉样纤维，以及其他两种糖类分子可以抑制α-syn淀粉样纤维的形成，为PD药物开发提供新思路。.总的来说，本项目证明了不同构象的α-syn与脂质结合的特异性；揭示了lysoPC和α-syn相互作用在稳定α-syn的结构，介导其生理功能以及抑制其病理性淀粉样聚集中起到了至关重要的作用；强调了脂质代谢以及蛋白质-脂质相互作用的紊乱在致病淀粉样聚集以及PD发病中的重要性。.本项目负责人刘聪和主要参与人李丹共发表了33篇国际高水平期刊论文，其中第一标注1篇，第二标注3篇，第三标注17篇，其他标注12篇。