近日，上海科技大学生命科学与技术学院孙博课题组与中国科学院生物与化学交叉研究中心刘聪课题组及中国科学技术大学侯中怀课题组合作，在小分子及致病突变调控帕金森病相关α-突触核蛋白（α-synuclein，α-syn）淀粉样纤维的分子机制研究中取得系列进展，相关成果分别发表于国际学术期刊《先进科学》（Advanced Science）和《聚集体》（Aggregate）。
帕金森病和阿尔兹海默病等神经退行性疾病严重威胁人类健康，其核心病理特征之一是淀粉样纤维（amyloid fibrils）的异常聚集，其中最具代表性的蛋白包括α-syn、Tau和Aβ。这些蛋白聚集体不仅作为疾病的病理标志物以多种构象存在，还在神经炎症、细胞损伤及疾病传播过程中发挥关键作用。因此，科学界围绕如何利用化学小分子干预或破坏这些病理淀粉样纤维开展了广泛研究。近年来，冷冻电镜（Cryo-EM）技术的突破显著推动了对这些病理性纤维原子结构的理解，但其通常依赖于对成千上万条病理纤维的静态平均信息。目前，对于单个病理性纤维在溶液中的力学特性及其与化学小分子的相互作用仍知之甚少。
图1. α-Syn原纤维的单分子检测。A. 生物素化α-syn原纤维组装示意图；B. TEM 检测生物素化原纤维；C. 单分子实验流程图以及代表性荧光图像。
研究团队开发了一种基于光镊和荧光显微成像结合的研究方法，实现了对α-syn淀粉样纤维在单分子水平的力学特性表征（图1）。第一项研究发现，α-syn纤维是一种高度刚性的生物聚合物。在轴向应力作用下，α-syn原纤维会出现局部变形，随后被完全破坏。值得一提的是，其形变和断裂特性具有显著的异质性。结合冷冻电镜结构分析发现，小分子表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）可嵌入α-syn纤维N端极性沟槽，破坏纤维核心稳定性，诱导纤维解聚；而小分子叶绿素铜A（CCA）通过结合α-syn纤维的多个不同位点，提高其抗断裂能力，使纤维更加稳定。
图2. 野生型与突变型α-syn原纤维对比。A. α-syn原纤维的原子结构模型；B. 动力学模拟轴向拉伸淀粉样纤维；C. α-syn原纤维的力学拉伸曲线。
另一项研究进一步利用该单分子方法定量对比了野生型和两种家族性帕金森病致病型突变α-syn原纤维（E46K和A53T）的力学特性（图2）。与野生型α-syn原纤维相比，E46K和A53T突变纤维在轴向破坏应力下表现出更差的稳定性。冷冻电镜结构和分子动力学模拟分析表明纤维中的β-折叠结构以及横向界面在稳定纤维结构中起主导作用。此外，E46K突变纤维由于其灵活的外围结构，更易在发生局部变形。
这两项研究为神经退行性疾病致病淀粉样蛋白聚集的机制、发展及其干预策略提供了全新视角，在单分子水平阐明了α-syn原纤维的结构与力学特性的关系，为研究多构象病理性淀粉样纤维及小分子相互作用提供了通用性平台，有助于更精准地理解淀粉样纤维在疾病中的作用，为未来开发帕金森病等神经退行性疾病的新型治疗药物分子提供了新的线索。
在第一项工作中，上海交通大学Bio-X研究院博士生李想以及上科大生命学院助理研究员毕路路为共同第一作者，孙博教授和刘聪研究员为共同通讯作者；在第二项工作中，上科大生命学院助理研究员毕路路，中国科学技术大学博士生李林格以及上海交通大学Bio-X研究院博士生李想为共同第一作者，刘聪研究员、侯中怀教授以及孙博教授为共同通讯作者。
论文链接：1. Single-molecule insight into α-synuclein fibril structure and mechanics modulated by chemical compounds
https://doi.org/10.1002/advs.202416721
2. Bridging mechanical properties with atomic structures of polymorphic α-synuclein fibrils by single-molecule analysis and molecular dynamics simulations
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