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科研进展

柯莎课题组在淀粉样纤维化的动力学机制研究方面取得重要进展

发布时间:2018年02月07日

  2018年1月22日,美国化学会权威期刊Journal of the American Chemical Society(JACS)在线发表了中国科学院生物物理研究所柯莎(Sarah Perrett)研究组题为“Direct Observation of Oligomerization by Single Molecule Fluorescence Reveals a Multistep Aggregation Mechanism for the Yeast Prion Protein Ure2”的研究成果。该论文由柯莎课题组与英国剑桥大学化学系Tuomas Knowles研究组合作完成,报道了利用单分子荧光技术与动力学分析相结合的方法来研究酵母prion蛋白Ure2淀粉样纤维化分子机制的相关成果。

  蛋白质和多肽从可溶态向高度有序的、富含β-sheet结构的淀粉样纤维的转变过程,不仅与退行性疾病的发生密切相关(如阿尔兹海默症、帕金森综合症和prion疾病等),同时也参与重要生物功能的行使。淀粉样纤维化过程中会产生不均一的寡聚体,尤其是早期可溶态寡聚体被证实与细胞毒性相关,因此其结构和生成的动力学机制是一个重要的生物学问题。然而,因寡聚体具有不稳定和不均一性,难以采用传统基于系综整体水平测量的技术方法研究。单分子技术能够在单个分子水平研究体系中低含量组分分子的构象和动态变化,使得定量检测和分析淀粉样蛋白寡聚体成为可能。

  在酵母prion蛋白是一种研究淀粉样纤维化的安全的模式蛋白,它们形成的淀粉样聚集具有很强的自我复制能力,且具有特定的生物学功能。在本研究中,我们利用单分子荧光共振能量转移技术(smFRET)观测到Ure2淀粉样纤维化过程中的寡聚体,揭示了寡聚体从疏松构象向紧密构象的转变过程,而后者具有β-sheet结构能够延伸形成纤维。结合系综水平的纤维生成动力学曲线,我们建立了一个多步反应动力学模型,通过全局拟合分析单分子及系综数据,获得了Ure2纤维化各微观反应步骤的动力学信息,定量阐述了Ure2聚集体的生成、消耗、转化成核的过程。动力学分析表明,Ure2遵循以纤维断裂(fragmentation)为主导的纤维核心生成机制,这种机制有别于疾病相关的淀粉样蛋白(amyloid β、α-synuclein和IAPP等)以纤维表面催化的二级成核(secondary nucleation)为主导的机制,为解释功能性淀粉样蛋白与疾病相关的淀粉样蛋白的毒性差别提供了线索。

  中国科学院生物物理所柯莎研究员、吴思副研究员以及剑桥大学Tuomas Knowles教授为本文的共同通讯作者,中科院生物物理所为第一单位。柯莎课题组博士生杨洁、Knowles课题组博士生Alexander Dear为本文的共同第一作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委项目等的资助。

  文章链接:http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.7b10439

  

 图示:单分子FRET技术观测Ure2淀粉样纤维化过程中的寡聚体及其构象转化,结合全局动力学分析揭示Ure2淀粉样纤维化的多步成核机制。

 

  

  供稿:中科院生物物理所Sarah Perrett(柯莎)课题组

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