神經退行性疾病，如阿爾茨海默病（AD）和帕金森?。≒D）等，與大腦中淀粉樣蛋白的病理性聚集密切相關。淀粉樣蛋白聚集纖維被視為此類疾病的關鍵臨床病理標志物，是疾病早期診斷和治療的重要靶點，臨床上亟需特異性靶向淀粉樣蛋白纖維的小分子示蹤劑。然而，由于蛋白病理性聚集體的折疊組裝結構與天然構象的蛋白具有顯著差別，相比于靶向蛋白天然構象小分子設計與研發(fā)的海量知識與成功案例，目前，對于小分子如何識別淀粉樣病理聚集體的認識還是空白，極大的阻礙了特異性結合病理聚集體的化學小分子的研發(fā)。

中科院上海有機化學研究所生物與化學交叉中心劉聰課題組與上海交通大學Bio-X研究院李丹課題組長期專注于神經退行性疾病關鍵致病蛋白相變聚集的致病機制與化學調控研究，系列工作揭示了蛋白病理聚集體的高度結構多態(tài)性，闡釋了其與蛋白天然構象的本質差別，并揭示了其在帕金森病發(fā)展中的關鍵作用。近年來，兩個團隊進一步聚焦于“小分子如何識別病理蛋白聚集體”這一蛋白相變聚集領域的核心科學問題。

近日，劉聰課題組與李丹課題組合作在 Nature Chemical Biology 期刊上發(fā)表了題為：Structural mechanism for specific binding of chemical compounds to amyloid fibrils 的研究論文。

通過綜合運用生物與化學交叉研究方法，合作團隊首次系統(tǒng)地揭示了具有不同結構的小分子化合物與蛋白病理聚集體相互作用的基本原理。該工作既是對經典小分子和蛋白互作理論的重要擴充，更使得基于結構開發(fā)神經退行性疾病小分子示蹤劑成為可能。

在這項工作中，研究人員首先通過化合物庫高通量篩選等方法獲得多個能夠結合帕金森病致病蛋白α-突觸核蛋白（α-synuclein，α-syn）纖維的具有不同骨架的小分子化合物，進一步通過螺旋纖維重構技術解析了包括篩選獲得的聚集體的配體，臨床前顯像示蹤劑，以及經典淀粉樣蛋白染料等9個不同結構的小分子與α-syn纖維結合的原子結構（圖1）。研究人員發(fā)現(xiàn)小分子配體-淀粉樣蛋白纖維互作與傳統(tǒng)的配體-天然蛋白質互作存在本質區(qū)別。天然蛋白質的配體結合口袋通常是三維的；淀粉樣蛋白纖維的配體結合位點實際上是溝槽狀，在纖維軸方向上是開放的，只有二維限制，因此配體需要建立沿纖維軸的相互作用限制，使其能夠像天然蛋白質的配體一樣特異性地結合。小分子之間的配體-配體π-π相互作用提供了這種特異性結合必需的限制。

圖1 不同小分子與α-syn纖維結合熒光變化和冷凍電鏡密度圖

研究人員進一步發(fā)現(xiàn)具有不同骨架的化合物能夠通過多種不同的取向結合到α-syn纖維的不同結合位點（圖2a、2b），并定義了配體識別并結合纖維的三種主要的取向及結合模式：對角線取向（diagonal geometry，小分子平面與纖維軸呈約45o角）、水平取向（horizontal geometry，小分子平面平行于蛋白分子平面）、垂直取向（vertical geometry，小分子平面垂直于蛋白分子平面）。三種取向對應不同形式的配體-配體π-π相互作用，以及依次降低的結合特異性（圖2c）。因此，除了傳統(tǒng)的配體-蛋白質相互作用，配體-配體相互作用協(xié)同貢獻了小分子結合淀粉樣蛋白纖維的特異性。此外，研究人員在體外重組的α-syn纖維和來自多系統(tǒng)萎縮患者的離體α-syn病理纖維結構中發(fā)現(xiàn)了一個可靶向的高度保守的配體結合口袋。為基于此口袋的廣譜型α-syn纖維示蹤劑設計、篩選和優(yōu)化提供了重要的設計思路和靶點。

圖2 化學小分子-淀粉樣蛋白纖維復合物中的配體結合取向和特異性

綜上，該研究首次構建了蛋白淀粉樣聚集態(tài)下小分子配體-蛋白質互作的基本原理，為基于結構開發(fā)能夠特異識別蛋白聚集體的小分子示蹤劑提供了重要的理論支持和技術平臺。

基于以上研究成果，李丹課題組與劉聰課題組合作，正在基于原子結構與高通量篩選的方法與技術平臺開發(fā)一系列能夠特異性識別α-syn病理性聚集的小分子先導化合物，用于臨床正電子發(fā)射斷層掃描（PET）成像示蹤劑的研發(fā)，以推動帕金森病及相關突觸核蛋白病的早期診斷以及精準病理分型的研究。相關成果將為神經退行性疾病的診斷和治療開辟新的路徑，不僅能為科研工作者提供有價值的研究方向，更可能為患者帶來新的希望。

上海交通大學Bio-X研究院陶友琦博士，中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心博士研究生夏文程，上海交通大學Bio-X研究院博士研究生趙欽玥為該論文的共同第一作者。劉聰研究員和李丹教授為通訊作者。該工作得到中國科學院上海有機化學研究所譚立課題組、湯文軍課題組大力幫助。