α-突触核蛋白通过构象依赖性方式调控线粒体ATP稳态——揭示帕金森病能量代谢紊乱新机制

本研究通过核磁共振(NMR)和有限蛋白酶解-质谱联用技术(LiP-MS)，首次揭示α-突触核蛋白(αSyn)通过C端与腺苷酸激酶2(AK2)、ATP合酶等线粒体能量代谢调控蛋白相互作用，发现单体αSyn可激活AK2而截短体和纤维化αSyn丧失此功能，为帕金森病(PD)线粒体功能障碍提供了分子机制解释。

　　

在神经退行性疾病研究领域，帕金森病(Parkinson's disease, PD)的发病机制始终存在两大未解之谜：为何错误折叠的α-突触核蛋白(α-synuclein, αSyn)会选择性损伤多巴胺能神经元？为何线粒体功能障碍总是与αSyn病理改变如影随形？这两个看似独立的现象背后，可能隐藏着决定神经元命运的关键分子开关。

为揭开这一谜团，瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究。通过创新性地结合结构生物学和功能分析手段，首次证明αSyn能以构象依赖的方式直接调控线粒体能量代谢核心机器——当αSyn处于生理性单体状态时，其酸性C端像一把"分子钥匙"激活腺苷酸激酶2(AK2)促进ATP生成；而病理性的C端截短体(ΔC-αSyn)或淀粉样纤维则丧失此功能，甚至可能加剧能量危机。这一发现不仅为PD的"能量代谢紊乱假说"提供了直接证据，更揭示了αSyn在生理与病理状态下的功能转换机制。

研究团队运用三项核心技术：1) 有限蛋白酶解-质谱联用(LiP-MS)在全蛋白质组水平鉴定αSyn相互作用蛋白；2) 核磁共振(NMR)在近原子分辨率解析αSyn与AK2、DJ-1的结合界面；3) 建立体外ATP合成功能分析体系，定量评估不同αSyn构象对AK2酶活的影响。实验所用线粒体分离自牛脑白质，以模拟轴突(αSyn病理主要累及部位)的代谢环境。

αSyn与线粒体蛋白组的动态互作图谱

通过LiP-MS对脑线粒体裂解液的系统筛查，发现αSyn单体显著改变18种线粒体蛋白的蛋白酶敏感性，其中AK2(腺苷酸激酶2)和ATP合酶α亚基(ATPA)变化最显著。免疫共沉淀(AP-MS)在人类神经母细胞瘤SH-SY5Y中验证了这些相互作用，并发现αSyn可能结合整个ATP合酶复合体。

C端决定AK2活性的分子开关

NMR显示AK2主要结合αSyn的C端(105-140位残基)，而ΔC-αSyn完全丧失结合能力。AlphaFold预测显示AK2的β折叠(94-103位残基)与αSyn酸性C端形成电荷互补。功能实验证实：20μM αSyn使AK2催化常数(τ)从7.3分钟缩短至3.75分钟，而ΔC-αSyn和纤维体无此效应。

构象依赖的病理转化机制

在完整线粒体实验中，αSyn纤维虽能与AK2结合，但仅引起微弱构象变化(p<0.05未校正)。值得注意的是，PD相关蛋白DJ-1也被鉴定为αSyn新互作伙伴，NMR显示其同时结合αSyn的N端和C端，可能在αSyn线粒体定位中起桥梁作用。

细胞能量代谢的功能验证

4μM ΔC-αSyn使HT-22细胞ATP含量降低35%，而等量WT αSyn无此效应。在分离的小鼠肝线粒体中，αSyn纤维和ΔC-αSyn均显著抑制ATP水解活性，与临床发现的PD患者黑质区AK2表达下降现象高度吻合。

这项研究构建了αSyn调控线粒体能量代谢的完整分子框架：生理状态下，αSyn通过C端激活AK2促进ADP→ATP转换，维持神经元高能耗需求；病理状态下，C端截短或纤维化导致"分子钥匙"断裂，引发能量危机。特别重要的是，常见PD突变体(E46K、A53T)和PTM修饰(如pSer129)可能通过干扰这一机制参与发病。该发现不仅为PD诊断提供了AK2等潜在生物标志物，更为开发靶向αSyn-AK2互作的新型神经保护剂开辟了道路。