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文献磕学｜从“蛋白沉积”到“构象重塑” 肝素样寡糖如何让 α-Syn 纤维走向可干预
今天分享的内容来源于中国科学院上海有机化学研究所刘聪课题组和俞飚课题组发表在 Nature Structural & Molecular Biology 上的研究论文 Time-course remodeling and pathology intervention of α-synuclein amyloid fibril by heparin and heparin-like oligosaccharides。这篇文章关注的问题非常直接：对于帕金森病相关的 α-Synuclein淀粉样纤维而言，已经形成的成熟纤维是否就是一个固定不变的终点？还是说，它仍然能够被外源分子识别、重塑，并进一步干预其病理传播？作者以肝素和结构明确的肝素样寡糖为工具，展示了成熟 α-Syn 纤维的时间依赖性重塑过程，并筛选出能够保留纤维识别能力、同时降低病理效应的短链寡糖分子
从“核酸信息”到“构象信息”：蛋白质也可以传递病理状态 长期以来，生命信息的传递通常被理解为 DNA、RNA 和蛋白质之间的流动。经典中心法则认为，DNA 可以复制和转录，RNA 可以翻译形成蛋白质，而蛋白质通常被看作信息表达的终点。然而，朊病毒疾病的发现改变了人们对“生物学信息”的理解。Prusiner 提出的朊病毒假说认为，异常构象的蛋白可以作为模板，诱导正常蛋白转变为同样异常的构象。也就是说，被传播的不是核酸序列，而是蛋白质构象。图1正常 PrP 与异常 PrPSc 的构象差异示意。异常构象可以作为模板诱导正常蛋白错误折叠。图源：用户提供文献图。这一思想后来成为理解帕金森病中 α-Synuclein朊病毒样传播的重要理论基础。从“有没有聚集”到“形成哪种构象”：α-Syn strain 假说帕金森病的经典病理标志之一是 Lewy body 和 Lewy neurite。1997 年，Spillantini 等人证明，α-Synuclein 是 Lewy body 和 Lewy neurite 的主要组成成分之一。这一发现直接将 α-Syn 的异常聚集与帕金森病病理联系起来。但 α-Syn 的问题并不只是“是否聚集”，而是“形成了哪一种聚集构象”。α-Syn 是一种内在无序蛋白，同一条氨基酸序列可以折叠成多种不同的淀粉样纤维构象，这些构象被称为 polymorphs，也常被称为 conformational strains。图2α-Syn 的结构区域、致病突变及其在神经元中的异常聚集、传播和毒性效应示意。图源：用户提供文献图。不同 strain 虽然由同一种蛋白组成，但它们的表面形状、电荷分布、稳定性、细胞类型偏好和神经毒性可能不同。因此，α-Syn 聚集的关键并不只是纤维数量增加，而是不同构象状态的形成和传播。从“细胞外纤维”到“细胞内播种”：HSPG 参与α-Syn 病理传播α-Syn 纤维形成以后，还需要进入细胞并诱导胞内α-Syn 聚集，才能进一步推动病理传播。在这一过程中，细胞表面的 HSPG，即硫酸乙酰肝素蛋白聚糖，发挥了重要作用。HSPG 表面的硫酸化糖链可以与α-Syn 纤维发生相互作用，帮助纤维完成细胞表面识别和内化。图3 HSPGs 介导 α-Syn 纤维内化与胞内播种；heparin 或 chlorate 处理可降低 α-Syn 纤维摄取及 FRET 播种信号。图源：Holmes et al., PNAS, 2013。这说明糖胺聚糖并不是 α-Syn 病理传播中的旁观者，而是连接“细胞表面识别—纤维摄取—胞内播种”的重要介质。既然 HSPG/肝素样糖链可以影响α-Syn 纤维的细胞摄取，那么外源糖类辅因子是否还能直接改变α-Syn 的纤维组装？2022 年的研究表明，如果在 α-Syn 聚集开始阶段加入肝素，肝素会重新组织 α-Syn 的电荷相互作用，并诱导形成多个新的纤维多态体。图4 肝素诱导 α-Syn 形成多个纤维多态体，表现为不同形貌、比例和 helical parameters。图源：Tao et al., Nature Communications, 2022。这一步说明，肝素并不是简单地“黏”在纤维表面，而是可以作为 cofactor 重新引导 α-Syn 的组装方式。但这里研究的是“纤维形成过程中加入肝素”，并没有回答另一个更关键的问题：如果纤维已经成熟，肝素还能不能改变它？从 strain 到分子识别：纤维表面不是无序沉积物如果不同 strain 具有不同的表面形状、沟槽和电荷分布，那么这些结构信息是否能够被外源小分子读取？2023 年 Nature Chemical Biology 的研究利用一系列经典染料、PET 示踪剂相关分子和筛选得到的新配体，系统观察了化学配体与 α-Syn 纤维的结合方式。图5不同化学骨架的小分子可以识别 α-Syn 淀粉样纤维表面的特定区域。图源：Tao et al., Nature Chemical Biology, 2023。这些结果说明，淀粉样纤维并不是没有结构特征的惰性沉积物，而是具有可识别沟槽、口袋和电荷微环境的分子表面。后续研究进一步发现，同一个配体面对不同α-Syn strain 时，还可以调整结合位点和取向。图6不同 α-Syn strain 上的配体结合位点和取向具有适应性，分子骨架与官能团共同决定识别偏好。图源：Liu et al., PNAS, 2024。这篇 Nature Structural & Molecular Biology 文章最巧妙的地方在于实验设计。作者首先在体外制备成熟的 α-Syn preformed fibrils，也就是 PFF。随后在纤维形成之后才加入长链肝素，并分别在 0 小时、1 小时和 3 天取样，通过冷冻电镜螺旋重构分析不同时间点的纤维结构。这个 post-assembly addition 的设计非常关键。它将“肝素如何影响纤维形成”和“肝素能否重塑已经形成的成熟纤维”两个问题区分开来。图7 长链肝素结合成熟 α-Syn 纤维后，形成 Hep-remod-1/2/3 等不同重塑状态，肝素主要结合 Lys-rich 正电表面。图源：Tao et al., Nature Structural & Molecular Biology, 2025。结构结果显示，肝素主要结合在 α-Syn 纤维表面富含赖氨酸的正电区域，包括 K43、K45、K58 和 K60 附近。由于肝素高度硫酸化、带强负电，这种结合主要依赖多价静电作用。未加入肝素时，apo 纤维的半螺距约为 122.6 nm。加入肝素后，几乎立即形成 Hep-remod-1，半螺距缩短至约 102.4 nm，说明纤维迅速变得更加扭曲。继续孵育 1 小时后，样品中出现约 17.3% 的 Hep-remod-2，其半螺距进一步缩短至约 77.3 nm。到 3 天时，样品中出现约 29.0% 的 Hep-remod-3，其半螺距进一步缩短至约 64.2 nm。图8肝素诱导成熟 α-Syn 纤维发生时间依赖性重塑，half pitch 持续缩短，纤维整体扭转增强。图源：Tao et al., Nature Structural & Molecular Biology, 2025。这说明肝素诱导的纤维重塑并不是所有纤维同步完成的一步反应，而是不同重塑亚群随时间逐渐出现和积累。局部来看，K58 侧链向外翻转并与肝素硫酸基形成新的静电接触，随后构象变化进一步传递到protofilament interface，最终造成成熟纤维整体扭转增强。长链肝素能够强烈结合并重塑成熟 α-Syn 纤维，但它也存在潜在问题：完整肝素具有明显的多价效应，可能促进 α-Syn 成纤维。因此，作者进一步提出一个新的思路：能不能设计较短的肝素样寡糖，使其既能识别 α-Syn 纤维，又不会像完整肝素那样促进聚集？为此，研究者构建了结构明确的肝素样寡糖库，并通过竞争结合实验和 SPR 亲和力检测筛选候选分子。结果显示，oligo-22 和 oligo-26 对 α-Syn 纤维具有较强结合能力。图9肝素样寡糖竞争筛选与 SPR 验证：oligo-22和 oligo-26 表现出较强 α-Syn 纤维结合能力。图源：Tao et al., Nature Structural & Molecular Biology, 2025。这一部分把研究从“肝素可以结合纤维”推进到“什么样的糖链结构更适合识别纤维”。结果也提示，α-Syn 纤维识别并不只取决于总负电荷，还与糖链长度、骨架柔性和硫酸基空间排列密切相关。Oligo-22 和 Oligo-26：降低神经元关联与病理播种冷冻电镜结果显示，oligo-22和 oligo-26 仍然能够结合在 α-Syn 纤维表面的富赖氨酸区域，说明缩短糖链后局部纤维识别能力仍然保留。与完整肝素不同，ThT 聚集实验和负染电镜显示，这两种短寡糖并不会明显促进 α-Syn 成纤维，反而降低了 ThT 阳性信号。图10 Oligo-22 和 oligo-26 保留纤维识别能力，同时降低α-Syn PFF 与神经元的关联，并减少 pS129 阳性病理聚集。图源：Tao et al., Nature Structural & Molecular Biology, 2025。在神经元实验中，PFF 单独处理时，神经元区域可以观察到较强的 human α-Syn 红色信号；加入 oligo-22 或 oligo-26 后，红色信号明显下降。进一步观察长期病理结果时，PFF 处理 14 天后会诱导大量pS129 阳性 α-Syn 聚集，而加入 oligo-22 或 oligo-26 后，pS129 信号显著降低。更严谨地说，这些短寡糖降低了PFF 与神经元的关联，并伴随后续 pS129 阳性病理聚集减少。仅凭该图本身不能完全区分它们主要降低了膜表面结合，还是降低了内吞过程，但已经能够说明短链肝素样寡糖可以在细胞层面降低α-Syn PFF 的病理效应。这篇研究围绕 α-Syn 纤维的“构象可塑性”展开，回答了一个非常关键的问题：已经形成的成熟淀粉样纤维是否仍然可以被外源分子重塑？答案是肯定的。长链肝素能够结合 α-Syn 纤维的富赖氨酸表面，并诱导成熟纤维发生时间依赖性结构重塑，使其逐渐形成更高度扭曲的结构亚群。进一步地，结构明确的短链肝素样寡糖 oligo-22 和 oligo-26 可以保留对 α-Syn 纤维的识别能力，同时避免完整肝素的促纤维化作用，并降低PFF 与神经元的关联以及后续 pS129 病理聚集。从更大的角度来看，这篇文章提示我们：神经退行性疾病中的淀粉样纤维并不是不可改变的病理终点，而是可以被识别、被重塑、被调控的动态分子实体。- Tao, Y. et al. Time-course remodeling and pathology intervention of α-synuclein amyloid fibril by heparin and heparin-like oligosaccharides. Nature Structural & Molecular Biology, 2025.
- Holmes, B. B. et al. Heparan sulfate proteoglycans mediate internalization and propagation of specific proteopathic seeds. PNAS, 2013.
- Tao, Y. et al. Heparin induces α-synuclein to form new fibril polymorphs with attenuated neuropathology. Nature Communications, 2022.
- Tao, Y. et al. Structural mechanism for specific binding of chemical compounds to amyloid fibrils. Nature Chemical Biology, 2023.
- Liu, K. et al. Binding adaptability of chemical ligands to polymorphic α-synuclein amyloid fibrils. PNAS, 2024.
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