Sci Adv丨武汉大学梁毅等团队合作研究表明ALS引起SOD1突变诱导的淀粉样纤维结构和铁死亡激活

肌萎缩侧索硬化症（ALS），也称为运动神经元病，是一种渐进性、毁灭性的神经退行性疾病，其特征是大脑和脊髓中运动神经元的选择性死亡。 ALS中运动神经元是如何死亡的，这是一个尚未解决的根本问题。铁下垂是一种铁依赖性的非凋亡细胞死亡形式，受谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的调节，并且已经发现GPX4在ALS患者的脊髓中下调。然而，ALS铁死亡介导的分子机制尚不清楚。大约90%的ALS病例是散发性的，而大约10%是家族性的，通常是遗传的。现在有50多个基因与ALS的发病机制有关。其中，sod1基因是第一个与家族性ALS相关的基因，是该疾病的第二大常见原因。约2%至6%的ALS病例是由抗氧化酶铜锌超氧化物歧化酶（SOD1）突变引起的。值得注意的是，在家族性ALS中已发现200多种SOD1基因突变，这些突变对SOD1天然状态的结构、活性和稳定性具有显著不同的影响。运动神经元中这些突变体和野生型SOD1的细胞质聚集是ALS的病理特征。 然而，目前尚不清楚不同的ALS引起的SOD1突变是否会产生影响疾病进化的不同SOD1菌株，以及它们是否通过根本不同的机制促进SOD1聚集。

自1993年发现SOD1与家族性ALS有关以来，人们一直在努力解开SOD1聚集体和SOD1菌株的原子结构之谜。 最近，研究报道了由二硫化物还原的全长野生型人SOD1的apo形式形成的淀粉样原纤维的冷冻电镜（cryo-EM）结构，该结构具有注册内分子内β链结构，由盐桥、疏水腔和氢键网络稳定，并为ALS发病过程中SOD1从未成熟形式转化为聚集形式提供了结构见解。神经元中反式反应DNA结合蛋白-43（TDP-43）的细胞质聚集是ALS的另一个病理特征。最近，有研究报道了全长TDP-43体外生成的淀粉样纤维的冷冻电镜结构，这与从ALS和额颞叶变性患者大脑中纯化的TDP-43淀粉样纤维不同。 然而，尽管进行了三十年的研究，体内来源的SOD1淀粉样纤维的原子结构信息仍然不可用，SOD1突变导致家族性ALS的分子机制仍然是一个谜。

H46R和G85R的原纤维核心具有更高的能力导致线粒体损伤和激活神经元细胞的铁死亡 （图源自 Science Advances ）

SOD1中有两个突变亚群与家族性ALS有关。金属结合区突变体，如H46R、H46D、G85R、D125H和S134N，在SOD1的金属结合位点及其周围具有突变，这些突变相对于野生型蛋白质具有显著改变的生物物理性质。 相比之下，野生型样突变体，如A4V、D90A、G93A、D101G和D101N，保留了与野生型SOD1相似的大部分特性。研究特别关注两种引起ALS的SOD1突变蛋白H46R和G85R，原因如下。首先，H46R和G85R是金属结合区突变体，对金属离子（G85R为锌，H46R为铜和锌）的亲和力降低；由H46R和G85R形成的聚集体或内含物表现出朊病毒样特性。其次，表达H46R和G85R的转基因小鼠在几个月大时会出现类似的ALS样表型，包括瘫痪和肌肉损失。然而，这一现象背后的机制尚不清楚。第三，将H46R和G85R体外产生的淀粉样纤维注射到表达G85R的新生转基因小鼠的脊髓中会加速ALS的进展，表明体外制备的纤维与人类疾病的相关性。第四，野生型SOD1纤维的原子结构表明，包括H46R、H46D、G85R、D101G和D101N在内的几种家族突变可能会改变细胞毒性SOD1纤维结构中的关键相互作用（盐桥）， 但ALS引起的SOD1突变体H46R和G85R是否形成类似的淀粉样纤维结构尚不清楚。

研究在还原条件下从两种引起ALS的SOD1突变蛋白H46R和G85R的apo形式产生了均匀的淀粉样纤维，并使用冷冻电镜确定了原子结构。研究证明H46R和G95R形成了淀粉样纤维结构，诱导了天然SOD1的模板化错误折叠，并显著促进了神经元细胞的 铁死亡 。 研究结果为SOD1突变表现出细胞毒性、促进GPX4调节的 铁死亡 以及导致家族性ALS的分子机制提供了结构性见解。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado8499