肾脏AL淀粉样变新解：IGLV1-44来源的λ1轻链淀粉样纤维高分辨率冷冻电镜结构揭示器官趋向性分子基础

《Nature Communications》：Cryo-EM structure of renal AL amyloid fibrils from a patient with λ1 light chain amyloidosis

本研究针对系统性轻链淀粉样变(AL)中器官趋向性沉积的分子机制尚不明确的问题，通过冷冻电镜(cryo-EM)技术解析了源自IGLV1-44 * 01基因的肾脏AL淀粉样纤维的高分辨率结构。研究首次揭示了肾脏来源的AL纤维存在两种独特的结构多态体（Polymorph A和B），并发现Gln39His、Tyr37Phe等关键体细胞突变通过重塑分子间相互作用网络，决定了纤维的组装模式与稳定性。通过与心脏来源的IGLV1-44纤维结构进行对比，该研究为理解AL淀粉样变中器官特异性沉积的分子基础提供了关键的结构学证据，为开发靶向性治疗策略奠定了理论基础。

　　

在医学的微观世界里，蛋白质的“叛变”往往比外来入侵者更令人头疼。系统性轻链淀粉样变(AL)就是这样一种由人体自身免疫系统产生的“叛徒”——免疫球蛋白轻链(LCs)错误折叠并聚集成淀粉样纤维，沉积在心脏、肾脏等器官中，导致器官功能衰竭。这种疾病临床异质性极高，不同患者甚至同一患者不同器官中沉积的淀粉样纤维结构都可能千差万别。尽管肾脏是AL淀粉样变最常累及的器官之一，但科学家们对肾脏中这些“罪魁祸首”的原子级结构却知之甚少，这严重阻碍了我们对疾病发生机制的理解和靶向治疗药物的开发。

为了揭开肾脏AL淀粉样变的神秘面纱，浙江大学医学院附属第一医院、良渚实验室的陈悦、马业洋等研究人员在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们利用冷冻电镜(cryo-EM)技术，首次解析了从一名λ1轻链淀粉样变患者肾脏组织中提取的AL淀粉样纤维的高分辨率三维结构。这项研究不仅揭示了两种独特的纤维结构多态体，还通过对比心脏来源的纤维结构，阐明了特定氨基酸突变如何驱动纤维形成，并最终决定了淀粉样蛋白在特定器官中“安家落户”的分子机制。

关键技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   样本来源与纤维提取：研究样本来源于一名66岁男性AL淀粉样变患者的肾脏活检组织。研究人员采用优化的组织裂解和差速离心方法，从组织中提取出纯净的淀粉样纤维。
2. 2.
   蛋白质序列鉴定：通过液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)技术，对提取的纤维蛋白进行测序，确定了其来源于IGLV1-44 * 01基因，并鉴定出6个体细胞突变。
3. 3.
   结构解析：利用冷冻电镜(cryo-EM)技术对纤维样品进行成像，并通过螺旋重构(Helical Reconstruction)方法，最终解析出两种结构多态体的高分辨率三维结构。

研究结果

1. 肾脏AL淀粉样纤维的提取与序列分析

研究人员首先从一名66岁男性AL淀粉样变患者的肾脏活检组织中成功提取了淀粉样纤维。质谱分析显示，这些纤维的核心成分是由IGLV1-44 * 01基因编码的免疫球蛋白轻链可变区(VL)。与原始种系基因序列相比，该蛋白序列存在6个体细胞突变，分别是Ser26Thr、Ser31Gly、Tyr37Phe、Gln39His、Gly65Ala和Asp86His。这些突变被认为是驱动蛋白质错误折叠和淀粉样纤维形成的关键因素。

2. 冷冻电镜结构解析揭示两种结构多态体

通过冷冻电镜技术，研究人员解析了肾脏AL淀粉样纤维的高分辨率结构。他们发现，这些纤维并非单一结构，而是存在两种主要的结构多态体，分别命名为Polymorph A和Polymorph B。两种多态体的分辨率分别达到了2.9 ?和3.0 ?。结构分析显示，两种多态体均由两条原纤维缠绕而成，形成右手螺旋结构。纤维的有序核心区域为Gln16-Ser95，并包含一个由Cys22和Cys89形成的分子内二硫键。

3. 盐桥与疏水相互作用介导纤维蛋白折叠的稳定性

在Polymorph A中，两条原纤维之间的相互作用界面由两对芳香族残基相互作用稳定，特别是His39和Pro41之间形成的对称CH-π堆积，显著增强了界面的稳定性。而在Polymorph B中，原纤维间的相互作用则通过His39和Pro41之间的单个CH-π相互作用维持，界面拓扑结构呈现出不对称特征。此外，纤维表面表现出明显的电荷分布模式，N端区域带正电，C端区域带负电，这种电荷分布可能有助于纤维在肾脏富含电荷的微环境中稳定存在。

4. 患者特异性突变对纤维形态的影响

研究人员深入分析了6个体细胞突变对纤维结构的影响。其中，Gln39His突变引入了电荷极化效应，使其能够与相邻原纤维亚基的Pro41残基形成跨链CH-π堆积相互作用，从而促进了独特的纤维界面的形成。Tyr37Phe突变则可能通过增强β-片层之间的范德华力和疏水协同作用来稳定纤维。Asp86His突变可以与邻近的Glu84残基形成盐桥，从而增强纤维的内部结构。这些突变共同作用，塑造了肾脏AL淀粉样纤维独特的结构特征。

5. 与心脏纤维及天然轻链结构的比较分析

研究人员将肾脏来源的IGLV1-44纤维结构与先前报道的心脏来源的IGLV1-44纤维结构进行了对比。结果显示，尽管两者都来源于IGLV1-44家族，但它们在分子组装方式上存在显著差异。例如，在肾脏纤维中，Asp86His突变与Glu84形成盐桥以稳定结构；而在心脏纤维中，结构稳定性则是由Asp86和Arg25之间的盐桥相互作用介导的。此外，肾脏纤维的N端和C端呈现出分叉构象，而心脏纤维则通过C端延伸的Leu96与N端的Val18之间的疏水相互作用，使N端和C端紧密靠近。这些结构差异揭示了不同组织来源的淀粉样纤维如何通过不同的分子相互作用网络实现稳定，从而解释了AL淀粉样变的器官趋向性。

结论与意义

这项研究首次报道了肾脏来源的AL淀粉样纤维的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了其独特的双原纤维组装模式以及由体细胞突变驱动的结构多态性。通过与心脏来源的纤维结构进行对比，研究阐明了特定氨基酸突变如何重塑分子间相互作用网络，从而决定了淀粉样纤维的最终形态和稳定性。这些发现为理解AL淀粉样变中器官特异性沉积的分子基础提供了关键的结构学证据，并为开发针对特定器官沉积类型的精准治疗策略奠定了坚实的理论基础。