人朊病毒蛋白G127V多态性保护作用的结构基础

Prion diseases are a group of fatal neurodegenerative illnesses, resulting from the conformational conversion of the cellular prion protein (PrPC) into a misfolded form (PrPSc). The human PrP (HuPrP) carrying the dominant-negative G127V polymorphism, could provide a potent dose-dependent protective effect for preventing both kuru and classical CJD prions. However, the molecular mechanisms under the protective effect remains to be elucidated. Our preliminary works showed that disease-associated mutations in HuPrPC changed the structural stabilities of the proteins and then changed their conformational conversion propensities. By a combination of several biophysical techniques such as multi-dimensional heteronuclear NMR, we will determine solution structures and dynamics for the wild-type HuPrPC（91-231）proteins G127M129, G127V129 and their mutants V127M129, V127V129, and analyze their thermodynamic stabilities, the propensities of both the oligomer formation and amyloid fibril formation. This project will clarify the structural basis for the protective effect of the G127V polymorphism, and exploit both the interaction between the G127V polymorphism and the M129V polymorphism and the underlying molecular mechanisms. Our results will be helpful for both understanding prion pathogenesis and developing anti-prion therapeutics.

朊病毒(prion)病是一类致死性的中枢神经退化性疾病，其病因是朊病毒蛋白（PrP）从正常的PrPC构象转变成错误折叠的PrPSc构象。人PrP（HuPrP）存在具有显性负效应的G127V多态性，对一些类型的prion病有剂量依赖的保护作用，其分子机制尚不清楚。我们的前期工作表明疾病相关的点突变改变了HuPrPC的结构稳定性，因而改变了其构象转变倾向性和prion病易感性。我们拟用多维异核核磁共振等生物物理技术，测定野生型HuPrPC（91-231）G127M129, G127V129和突变体V127M129, V127V129的溶液结构、动力学，分析它们的热动力学稳定性、形成寡聚体和淀粉样纤维的倾向性，揭示G127V多态性保护作用的结构基础，并阐明G127V多态性与M129V多态性的相互作用及其机制。研究结果有助于理解prion的致病机理，并为prion病的防治与药物研发提供理论依据。

朊病毒(prion)病是一类致死性的中枢神经退行性疾病，其病因是朊蛋白PrP从正常的PrPC构象转变成错误折叠的PrPSc构象。人源HuPrP(G127V)突变体可完全抗prion病，而HuPrP(G131V)突变体可致格斯特曼综合症。这些突变体的构象转变的分子机制尚不清楚。本项目利用异核多维NMR和分子动力学模拟等生物物理技术，测定了WT HuPrPC(91-231，M129) 及其突变体G127V和G131V的溶液结构和动力学，分析其结构稳定性、形成寡聚体和淀粉样纤维的倾向性，表明：(1)与WT HuPrP比较，HuPrP(G127V)中Y128-G131和V161-R164因主链原子间距增加、氢键变少而不能形成稳定的β折叠，只能形成稳定的伸展结构(SSs)；G131和Y163存在慢构象交换现象,Y128侧链翻转伸向SSs区外侧，阻止G127V突变体形成分子间氢键和二聚体，进而阻碍了prion聚集和纤维化；SSs区表面电势重新分布；α1螺旋从M154延长至R156，三个α螺旋堆积更紧密，α1-SS2 loop曲率变大，P158侧链取向改变，阻碍α1螺旋解旋；SS2改变了二硫键C179-C214周围的化学环境，SS2-α2 loop变得更柔性，α2螺旋弯曲，α1-α3螺旋表面电势重新分布，等等。（2） HuPrP(G131V)中Y128-V131和V161-R164不能形成 β折叠或SSs结构，而是形成柔性的loop；α2螺旋弯曲，三个α螺旋堆积变得疏松，形成较大的空腔，促进了G131V突变体的构象转变。（3）比较WT HuPrP(91-231)及其突变体 G127V 和G131V的寡聚化倾向性和纤维化倾向性：寡聚化倾向性，G127V(91-231)＞G131V(91-231)＞WT(91-231)；纤维化滞后时间：WT(91-231)＜G131V(91-231)＜G127V(91-231)，表明点突变显著改变了prion构象转变倾向性。（4）发现N端23-90片段增强了G127V的纤维化倾向性，抑制了寡聚化倾向性；抑制了WT和G131V的纤维化倾向性，增强了寡聚化倾向性。该项目研究结果揭示了G127V突变体抗prion病和G131V突变体致prion病的结构基础，有助于理解prion构象转变的分子机制，为prion病的防治与药物研发提供了理论依据。