proIAPP（1–48）纤维的高分辨率结构揭示了与糖尿病相关的IAPP纤维多态性的形成机制

《RSC Chemical Biology》：High-resolution structure of proIAPP(1–48) fibrils suggests a mechanistic pathway for diabetes-associated IAPP fibril polymorphs

淀粉样多肽proIAPP(1–48)的C2对称性纤维结构揭示其通过N端与核心His29的瞬态氢键作用稳定TW2型构象，并指出不完全切割的中间体是糖尿病相关β细胞功能障碍的关键致病因子。

　　在胰腺β细胞中，人类胰岛淀粉样多肽（hIAPP）的异常聚集是2型糖尿病的关键病理特征之一。hIAPP是由一个67个氨基酸的前体——前IAPP（proIAPP）经过特定的蛋白酶切割而产生的。然而，在某些病理条件下，尤其是糖尿病相关的代谢压力下，切割过程会受到干扰，导致不完全的加工，从而产生一个11个氨基酸的N端延长片段，称为proIAPP(1–48)。这种不完全加工的中间产物不仅具有更高的淀粉样形成能力，还表现出更强的致病性，能够通过“播种”机制促进成熟hIAPP的异常聚集，进而引发β细胞功能障碍和凋亡。理解proIAPP(1–48)的结构及其在淀粉样纤维形成中的作用，对于揭示糖尿病的发病机制以及开发新的治疗策略具有重要意义。

本研究利用冷冻电镜（cryo-EM）技术，首次解析了proIAPP(1–48)形成的淀粉样纤维的高分辨率结构。结果显示，proIAPP(1–48)几乎只形成一种单一的纤维多态形式，且其结构与从人体胰腺组织中提取的TW2型淀粉样多肽非常相似。TW2型纤维是一种与疾病相关的多态结构，其在体外实验中并不常见，这表明proIAPP(1–48)可能在体内通过某种机制优先引导形成这种特定的病理结构。这一发现不仅揭示了不完全加工的proIAPP如何影响淀粉样纤维的多态性，还支持了proIAPP(1–48)在疾病进展中作为“种子”的作用。

通过冷冻电镜技术，研究团队获得了3.5 ?分辨率的纤维结构，并发现其由两个相互缠绕的P形原纤维（protofilaments）组成，具有C2对称性。这些原纤维的核心区域由 Ala24 到 Tyr48 的氨基酸组成，呈现出典型的β折叠结构，而N端的11个氨基酸残基则保持无序状态，无法在密度图中清晰显示。尽管这些N端残基未参与核心结构的形成，但它们在纤维表面周围产生了一种弱密度信号，尤其在His29附近更为明显。这一现象提示，N端残基可能通过短暂的相互作用对纤维的整体结构起到一定的稳定作用。

为了进一步揭示这些弱密度信号的来源，研究团队结合分子动力学（MD）模拟技术，对proIAPP(1–48)纤维的N端区域进行了深入分析。模拟结果表明，N端的某些残基（如Thr1和His29）之间形成了氢键，这些氢键在纤维结构中具有重要作用。此外，模拟还发现了一些独特的相互作用，例如His29与Glu4之间的氢键，以及His6与邻近层中两个His29之间的三聚体氢键结构。这些短暂但频繁的相互作用在实验观测中表现为弱密度信号，说明N端残基虽然不直接参与核心β折叠的形成，但其动态行为可能在纤维的组装过程中起到关键的调节作用。

研究还指出，这种特定的纤维结构与体外条件下成熟hIAPP通常形成的“双S”型纤维有所不同。在体外实验中，成熟hIAPP更倾向于形成具有特定螺旋对称性的双S型纤维，而proIAPP(1–48)则表现出不同的螺旋参数，例如更紧密的螺旋扭转（178.2°）和更短的螺旋上升（2.4 ?）。这种结构差异可能是由于N端残基的动态行为在纤维形成初期对螺旋几何形状产生了影响。由于纤维的形成通常始于小规模的聚集体，而这些聚集体的螺旋结构尚未固定，因此N端的动态相互作用可以引导纤维向特定的多态形式发展，而不改变核心β折叠的排列方式。

此外，研究还探讨了proIAPP(1–48)在体内可能的形成机制。例如，N端延长部分可能与细胞外基质中的肝素硫酸蛋白聚糖（HSPGs）发生相互作用，这种相互作用可能有助于纤维的形成和稳定。在一些动物模型中，当PC2（一种负责切割proIAPP的蛋白酶）功能受损时，体内会观察到更多的proIAPP(1–48)沉积，这进一步支持了其在淀粉样形成中的核心作用。同时，proIAPP(1–48)在人体血液中的存在也表明，这种不完全加工的产物不仅在细胞内发挥作用，还可能通过血液循环影响其他器官，进而加剧疾病的进展。

从临床角度来看，proIAPP(1–48)的积累与2型糖尿病的发病密切相关。在一些糖尿病患者以及接受胰岛移植的个体中，proIAPP(1–48)与成熟hIAPP的比例显著升高。这提示，除了β细胞本身的损伤外，proIAPP(1–48)的异常分泌可能对胰岛功能产生更广泛的影响。特别是，当淀粉样纤维在胰岛内部形成时，它们可能会干扰胰岛素的正常分泌过程，导致血糖调节失衡，进一步加剧糖尿病症状。

本研究的结果表明，proIAPP(1–48)的结构特征与体内观察到的病理结构高度一致，这为理解糖尿病相关淀粉样纤维的形成机制提供了重要的结构基础。更重要的是，这些发现揭示了淀粉样纤维形成过程中“种子”作用的重要性。即，不完全加工的proIAPP(1–48)可能作为初始的种子结构，引导成熟hIAPP形成特定的病理构象，而这种构象在体外实验中并不常见。这种“播种”机制可能解释了为什么在某些病理条件下，淀粉样纤维会表现出独特的结构特征，而这些特征在常规实验条件下难以再现。

未来的研究方向应集中在验证N端残基在纤维多态选择和稳定中的具体作用，以及探索如何通过干预这一过程来阻止有毒淀粉样结构的形成。例如，通过设计能够阻断N端残基与核心结构之间相互作用的小分子抑制剂，或通过基因编辑技术调控PC2的表达水平，可能为2型糖尿病的治疗提供新的思路。此外，进一步研究N端残基在纤维形成过程中的动态行为，以及它们如何影响纤维的螺旋参数和多态性，也将有助于揭示淀粉样纤维形成的基本规律。

总的来说，本研究通过结合冷冻电镜和分子动力学模拟，揭示了proIAPP(1–48)在糖尿病相关淀粉样纤维形成中的关键作用。其结构特征不仅与体内观察到的TW2型纤维高度相似，还表现出独特的动态行为，这些行为可能在纤维的组装过程中起到调节作用。这些发现不仅加深了我们对淀粉样纤维形成机制的理解，也为开发新的治疗策略提供了重要的理论依据。通过进一步研究proIAPP(1–48)的结构和功能，科学家们有望找到更有效的干预手段，以减缓或阻止糖尿病相关的淀粉样病变。