聚甘氨酸-精氨酸二肽重复序列的连续性与膜组成对其膜破坏特性的影响机制研究

本研究针对C9ORF72基因突变导致的肌萎缩侧索硬化症(ALS)和额颞叶变性(FTD)中多聚甘氨酸-精氨酸(poly-GR)的神经毒性机制展开探索。研究人员通过插入脯氨酸破坏poly-GR的α-螺旋结构，结合脂质体模型和SAXS、TIRF、AFM等先进技术，首次揭示poly-GR的膜穿透能力与其螺旋构象及膜胆固醇含量显著相关。该发现为开发靶向膜相互作用的C9ORF72相关疾病治疗策略提供了新思路。

　　

在神经退行性疾病研究领域，C9ORF72基因的六核苷酸重复扩增突变一直是科学家们关注的焦点。这种突变会导致细胞产生异常的二肽重复序列(DPRs)，其中富含精氨酸的poly-GR和poly-PR被认为具有最强的神经毒性。尽管已知这些蛋白能够穿透细胞膜引发系列病理反应，但背后的分子机制却如同蒙着一层神秘面纱。更令人担忧的是，目前针对C9ORF72相关的肌萎缩侧索硬化症(ALS)和额颞叶痴呆(FTD)仍缺乏有效治疗手段，这使得揭示poly-GR的膜穿透机制显得尤为迫切。

来自中国科学院的研究团队在《Journal of Molecular Biology》发表的研究中，巧妙地设计了一系列实验来破解这个谜题。他们首先通过插入脯氨酸残基来破坏poly-GR的α-螺旋结构，随后采用多种生物物理技术和细胞实验，系统研究了肽链构象和膜组成对poly-GR膜穿透能力的影响。这项研究不仅为理解神经退行性疾病的发病机制提供了新视角，更为开发靶向治疗策略指明了方向。

研究团队主要运用了以下关键技术：小角X射线散射(SAXS)分析肽链构象、脂质体渗漏实验评估膜破坏能力、全内反射荧光显微镜(TIRF)和原子力显微镜(AFM)观察膜表面变化，以及通过调节神经母细胞瘤细胞的胆固醇含量来验证体内效应。

脯氨酸插入破坏poly-GR的螺旋构象并降低细胞毒性
研究人员设计了一系列在25个重复序列(GR25)中插入1-5个脯氨酸的变体。实验证实，脯氨酸的插入显著破坏了poly-GR的α-螺旋结构，导致其膜穿透能力和细胞毒性呈剂量依赖性降低。这一发现直接证明了α-螺旋构象对poly-GR毒性的关键作用。

膜组成影响poly-GR的破坏能力
通过构建不同组成的脂质体模型，研究发现poly-GR对带负电荷的膜破坏最强。胆固醇含量的增加会加剧膜破坏，而神经节苷脂GM1则无明显影响。SAXS分析显示poly-GR会诱导膜结构紊乱，TIRF和AFM则直观捕捉到其在膜表面形成孔洞的过程。

胆固醇调节poly-GR的细胞摄取
在神经母细胞瘤细胞中，降低胆固醇含量可显著抑制poly-GR的内化和毒性，这为通过调节膜组成干预疾病进程提供了实验依据。

这项研究首次系统阐明了poly-GR的α-螺旋构象和膜胆固醇含量共同调控其膜穿透能力的分子机制。这些发现不仅深化了对C9ORF72相关疾病病理机制的理解，更重要的是提出了靶向膜组成调节的新型治疗策略。特别是发现胆固醇消耗可减轻poly-GR毒性这一结果，为开发针对神经退行性疾病的胆固醇调节疗法提供了重要理论支持。该研究将推动领域内对DPRs毒性机制的进一步探索，并为相关药物开发开辟了新途径。