【学术笔记】基于结构的α-synuclein PET示踪剂设计用于帕金森综合征诊断-生命科学联合中心

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【学术笔记】基于结构的α-synuclein PET示踪剂设计用于帕金森综合征诊断

2024-05-30 点击：

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【学术笔记】基于结构的α-synuclein PET示踪剂设计用于帕金森综合征诊断

记录人：张迈肖俊宇实验室

2024年05月30日下午，受北大-清华生命科学联合中心肖俊宇研究员邀请，中国科学院生物与化学交叉研究中心的刘聪研究员在北京大学生命科学学院邓祐才报告厅带来一场题为“Structure-based design of an α-synuclein PET tracer for diagnosis of Parkinson's disease”的报告。

肖俊宇研究员介绍刘聪研究员

刘聪研究员做报告与交流

【概要】

病理性淀粉样蛋白聚集是多种神经退行性疾病（如阿尔茨海默症和帕金森病等）的关键病理学标志物和治疗靶点，使用小分子靶向病理性的淀粉样蛋白纤维可用于多种神经退行性疾病的早期诊断和精准治疗。因此，临床上亟需特异性结合淀粉样蛋白纤维的小分子示踪剂和抑制剂。然而，由于淀粉样蛋白纤维的折叠组装结构与天然构象的蛋白具有显著差别，相比于靶向蛋白天然构象小分子设计与研发的海量知识与成功案例，目前，缺乏小分子配体与纤维相互作用的精确机制，使得我们无法基于结构研发特异性结合病理聚集体的化学小分子。

刘聪等人首先系统地解析了α-synuclein的相变聚集致病机制，在此基础上聚焦“化学分子如何识别病理蛋白聚集体”这一蛋白相变聚集领域的核心科学问题，建立了高通量淀粉样蛋白纤维配体筛选方法。综合运用结构生物学、化学生物学等研究方法，刘聪等人解析了包括筛选获得的聚集体的配体，临床前显像示踪剂，以及经典淀粉样蛋白染料等多个不同结构的小分子与α-synuclein纤维结合的原子结构。他们发现结合模式和传统的配体-蛋白质相互作用有很大的不同，并且具有不同骨架的化合物能够通过多种不同的取向结合到α-synuclein纤维的不同结合位点，同时定义了配体识别并结合纤维的三种主要的取向及结合模式。

通过在原子水平上阐明这些相互作用，他们通过结合基于结构的设计和竞争筛选测定开发了一种新的PET成像示踪剂。这种示踪剂具有与不同环境中的病理性α-synuclein原纤维结合的独特能力，包括细胞环境中的体外以及小鼠、大鼠和狨猴等帕金森病动物模型。这种PET示踪剂的开发标志着在促进帕金森病的早期和精确识别方面取得了重大进展。

图一：蛋白质的相分离与相变聚集导致疾病

【精彩回顾】

病理性淀粉样蛋白聚集是多种神经退行性疾病（如阿尔茨海默症和帕金森病等）的关键病理学标志物和治疗靶点，比如阿尔茨海默症中的tau和Aβ，额颞叶痴呆中的TDP-43和帕金森病中的α-synuclein等等1, 2。有关Aβ的研究和治疗方法已有一些进展，尤其今年FDA批准了第一种靶向Aβ抗体，这也暗示着靶向蛋白病理聚集重新回到药物研发的核心位置，然而帕金森病目前还缺乏早期诊断、精准疾病分型，以及延缓病程的治疗方法。

蛋白质相变聚集的分子机制

只有140个氨基酸的α-synuclein蛋白在帕金森病中起到关键的作用。刘聪等人克服重重困难，综合运用冷冻电镜成像、原子力显微镜、电子衍射技术、魔角旋转固态核磁等多种方法系统地解析了α-synuclein病理聚集的独特组装方式,以及不同翻译后修饰和氨基酸点突变等对纤维组装模式的影响，不同的α-synuclein聚集结构决定了病理毒性的多样性。这部分工作建立了蛋白聚集体结构决定病理毒性的理论框架^{2, 3}。

图二：α-synuclein聚集的分子机制

蛋白质相态调控紊乱与疾病

第二部分，刘聪老师分享了团队在蛋白质相态紊乱导致疾病机制方面的工作。首先鉴定了LAG3等蛋白质作为α-synuclein的受体介导纤维的“传播”，并解析了α-synuclein纤维结合LAG3的分子机制，研究发现α-synuclein聚集后会暴露出羧基端甩在纤维外与LAG3蛋白结合，而α-synuclein单体与受体的结合能力很弱⁴。在此基础上，刘聪等人通过基于结构的虚拟筛选以及体外筛选膜蛋白库，后续鉴定了多种其他受体并解析了它们的结合机制，目前尚未发表。

图三：不同受体介导不同的α-synuclein致病机理

靶向蛋白相变聚集的化学干预

研究靶向特异性蛋白聚集体的化学分子具有重要的临床应用价值，对病症的精准分型、早期诊断以及药物研发和治疗具有重要意义。然而靶向蛋白聚集体的化学分子开发具有较大挑战：传统的药物靶点分子通常具有药物结合口袋并且数据库中具有大量的PDB结构用于分子动力学模拟和AI预测辅助药物设计，对于纤维只有二维表面而没有三维结合口袋，同时小分子需要具有可以穿过血脑屏障的结构。

刘聪等人建立了高通量淀粉样蛋白纤维配体筛选方法。综合运用结构生物学、化学生物学等研究方法，刘聪等人解析了包括筛选获得的聚集体的配体，临床前显像示踪剂，以及经典淀粉样蛋白染料等多个不同结构的小分子与α-synuclein纤维结合的原子结构。他们发现结合模式和传统的配体-蛋白质相互作用有很大的不同，同时定义了配体识别并结合纤维的三种主要的取向及结合模式⁵。

图四：不同骨架的化合物通过不同取向结合α-synuclein纤维的不同结合位点5

在本次报告的最后，刘聪老师展示了他们最近开发PET成像示踪剂FD4分子的研究历程。5000个候选分子经过高通量筛选、冷冻电镜结构分析、体外结合力和选择性分析、组织切片成像和活体成像的过程最终选择了FD4分子并推向临床试验，目前结果尚未发表。这一PET示踪剂的开发标志着在促进帕金森病的早期和精确识别方面取得了重大进展。

图五：靶向α-synuclein不同沟槽的分子具有不同用途

【参考文献】

1.Wilson, David M 3rd et al. Hallmarks of neurodegenerative diseases. Cell 186,4 (2023): 693-714.

2.Li, D., Liu, C. Conformational strains of pathogenic amyloid proteins in neurodegenerative diseases. Nat Rev Neurosci 23, 523–534 (2022).

3.Tao, Youqi et al. Heparin induces α-synuclein to form new fibril polymorphs with attenuated neuropathology. Nature Communications 13, 4226 (2022).

4.Zhang, Shengnan et al. Conformational Dynamics of an α-Synuclein Fibril upon Receptor Binding Revealed by Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer-Based Solid-State Nuclear Magnetic Resonance and Cryo-Electron Microscopy. Journal of the American Chemical Society 145 (8), 4473-4484 (2023).

5.Tao, Y., Xia, W., Zhao, Q. et al. Structural mechanism for specific binding of chemical compounds to amyloid fibrils. Nat Chem Biol 19, 1235–1245 (2023).