冷冻电镜揭示IAPP突变体多态性差异，指导基于多肽的糖尿病治疗药物理性设计

为解决2型糖尿病(T2D)中胰岛淀粉样多肽(hIAPP)异常聚集导致的β细胞损伤问题，研究人员通过冷冻电镜(cryo-EM)解析了A25P/S28P/S29P单点突变hIAPP的6种纤维多态体高分辨率结构，发现突变诱导β-折叠重组并破坏核心疏水相互作用，据此设计出完全抑制纤维形成的F23R A25P双突变体。该研究为开发非淀粉样变且保留生理活性的hIAPP类似物提供了结构基础，发表于《Journal of Molecular Biology》。

　　

在2型糖尿病(T2D)患者胰腺中，胰岛淀粉样多肽(hIAPP)的异常聚集会形成淀粉样斑块，破坏β细胞功能并加剧胰岛素分泌障碍。虽然大鼠IAPP(rIAPP)因含有三个核心区脯氨酸突变而具有天然抗聚集特性，但人类IAPP中这些关键位点(Ala25/Ser28/Ser29)的单个突变如何影响纤维组装机制尚不明确。更棘手的是，现有临床药物普兰林肽(Pramlintide)需要与胰岛素分开注射，且在高浓度下仍会缓慢聚集。这些瓶颈促使科学家们追问：能否通过结构指导的理性设计，开发出完全非淀粉样变且保留生理活性的新一代hIAPP类似物？

为回答这个问题，由瑞典哥德堡大学Micha? Maj领衔的研究团队在《Journal of Molecular Biology》发表重要成果。研究人员首先通过固相合成制备了hIAPP的A25P、S28P和S29P单点突变体，利用硫黄素T(ThT)荧光动力学监测发现S28P突变显著延长聚集滞后相至7.5小时，而S29P反而加速聚集。随后采用冷冻电镜(cryo-EM)在3.0-3.75?分辨率下解析出6种新型纤维多态体结构，包括具有C3对称性的A25P三聚体、S28P的不对称三聚体等。

关键技术包括：1) 采用Fmoc固相合成法制备突变肽段；2) ThT荧光动力学监测聚集过程；3) 冷冻电镜数据采集(300kV Titan Krios配合K3/Gatan探测器)；4) RELION 4.0进行三维重构；5) 基于MIN6小鼠β细胞系的MTT细胞活力检测。

研究结果揭示：

1. 1.

   动力学分析：S28P突变表现出最慢的聚集动力学(t₅₀=12.2小时)，而S29P反而缩短t₅₀至3.5小时，提示位置特异性效应。

2. 2.

   冷冻电镜结构：A25P形成独特的C3对称三聚体(3.05?)，其Phe23构成三链疏水核心；S28P-P1中Tyr37通过H键锚定在Pro28骨架上，这种C端"内卷"模式在野生型中未见。

3. 3.

   β-折叠重组：所有突变体均在Phe15-Asn22区域形成新β-折叠，而野生型的β-折叠主要位于FGAIL核心区，证实脯氨酸突变能诱导二级结构重排。

4. 4.

   理性设计：基于A25P结构设计的F23R A25P双突变体在200μM高浓度下完全抑制纤维形成，且能抵抗野生型纤维的"种子"诱导；而基于S28P设计的F15A S28P Y37P三突变体则产生短纤维聚集体。

讨论部分指出，这项研究首次在原子水平揭示了脯氨酸突变如何通过重构β-折叠网络来改变IAPP聚集路径。特别值得注意的是，将Phe23替换为带正电荷的Arg(精氨酸)，能通过静电排斥和空间位阻双重机制破坏纤维核心。虽然F15A S28P Y37P三突变体仍能形成短纤维，但其极慢的延伸速率(200小时)和MIN6细胞毒性实验显示的生物相容性，为开发可配伍胰岛素的新型制剂提供了候选分子。

该研究的突破性在于：1) 发现IAPP的淀粉样核心不限于FGAIL区域，His18-Asn22的构象变化同样关键；2) 建立了"结构-动力学-毒性"的理性设计框架；3) 为阿尔茨海默病等其它蛋白质错误折叠疾病的治疗策略提供了范式。这些发现将加速下一代抗糖尿病肽类药物的临床转化进程。