淀粉样蛋白多态性的结构热力学分类：α-突触核蛋白与tau蛋白纤维的折叠家族解析

研究人员针对淀粉样蛋白纤维结构多态性缺乏分类框架的问题，通过层次聚类分析101个α-突触核蛋白和68个tau蛋白冷冻电镜结构，鉴定出11个拓扑学不同的折叠家族。研究发现不同多态体具有相似的热力学稳定性特征，其结构差异源于稳定区域的差异化配对。该研究为淀粉样蛋白结构分类提供了自动化分析流程，有助于理解疾病相关纤维的形成机制。

　　

在神经退行性疾病研究领域，淀粉样蛋白纤维的异常沉积是阿尔茨海默病、帕金森病等疾病的共同病理特征。这些由错误折叠蛋白质组成的纤维结构展现出惊人的多态性——同一蛋白质序列能形成多种不同的纤维构象。然而，与球状蛋白质已建立完善的折叠分类系统（如CATH和SCOP）不同，科学界一直缺乏对淀粉样蛋白纤维结构进行系统分类的框架。这种分类空白严重阻碍了研究人员比较不同条件下形成的纤维结构，以及理解疾病特异性纤维多态体的形成机制。

英国利兹大学（University of Leeds）Astbury结构分子生物学中心的研究团队在《Structure》发表重要研究成果。研究人员以α-突触核蛋白（α-synuclein）和tau蛋白这两种与神经退行性疾病密切相关的蛋白质为模型，对目前已解析的101个α-突触核蛋白和68个tau蛋白冷冻电镜（cryo-EM）结构进行了系统性分析。通过开发自动化分析流程，研究团队首次实现了淀粉样蛋白纤维结构的标准化分类，揭示了不同多态体间结构差异与热力学稳定性的内在关联。

研究采用了多项关键技术方法：从Amyloid Atlas数据库获取PDB结构数据；基于Q-score进行结构质量控制；使用层次聚类分析原纤维结构的RMSD值；通过FoldX计算每个残基的自由能贡献（ΔG°）；采用Eisenberg方法计算溶剂化自由能；定义稳定区域并分析其空间配对模式。特别值得注意的是，研究纳入了来自帕金森病（PD）、多系统萎缩（MSA）和青少年型突触核蛋白病（JOS）患者脑组织的原纤维结构，以及与这些疾病相关的突变体结构。

研究结果部分包含以下重要发现：

结构分类方面，通过原纤维结构的半径回转（R_g）分析和Cα-Cα距离计算，将100个α-突触核蛋白原纤维结构划分为11个拓扑学不同的折叠家族（图2）。其中第4和第8组包含绝大多数（81/95）结构。tau蛋白的62个结构同样分为11类，第3组包含40个结构。这种分类揭示了淀粉样蛋白多态性的结构谱系。

热力学分析显示，尽管结构差异显著，所有α-突触核蛋白纤维都表现出相似的残基水平稳定性特征（图3A），平均Pearson相关系数达0.61。稳定主要由疏水性和芳香族氨基酸驱动（图3B），而带电/极性氨基酸则起去稳定作用（图3C）。通过定义11个α-突触核蛋白和17个tau蛋白的稳定区域，研究发现不同多态体间的结构差异源于这些稳定区域的差异化空间配对（图3D）。

疾病相关多态性分析发现，来自JOS患者的α-突触核蛋白纤维（8bqv和8bqw）属于最大的第8组，与体外pH7条件下形成的结构（8pk4）高度相似（RMSD 2.3?）。而MSA患者纤维（6xyo等）包含两种原纤维构象：第7组的N端延伸构型和第8组的C端延伸构型（图5）。值得注意的是，体外使用MSA种子培养的野生型α-突触核蛋白（7nck和9euu）能部分重现MSA纤维的较短核心折叠。帕金森病纤维（8a9l）则形成独特的第9组构象，尚未在体外重现。

tau蛋白分析显示，3R+4R异构体结构全部集中在第3组，而4R tau则分布于多个组别。来自不同tauopathies（如阿尔茨海默病、皮质基底节变性等）的纤维形成特定的结构类别，临床相似但病理不同的疾病（如CBD和PSP）对应不同的拓扑折叠。

研究结论部分强调，这项工作首次建立了淀粉样蛋白纤维结构的分类框架，其自动化分析流程可快速比较新解析结构与已知折叠家族。研究发现淀粉样多态性源于相同稳定区域的不同配对方式，所有观察到的纤维构象在热力学上近似等稳（isostable），说明纤维结构的形成主要受动力学而非热力学控制。这一发现为理解淀粉样蛋白在病理条件下的折叠选择机制提供了新视角，对开发靶向特定纤维构象的治疗策略具有重要指导意义。

该研究的另一重要价值在于建立了疾病相关纤维与体外培养结构的比较标准。虽然部分疾病纤维（如JOS）的构象可在体外重现，但MSA和PD的特异性折叠仍主要来自患者样本，提示当前体外培养条件在重现病理纤维形成微环境方面仍存在局限。未来研究可基于这一分类系统，进一步探索溶液条件、翻译后修饰等因素如何引导淀粉样蛋白形成特定的病理相关折叠构象。