Cell：新研究解析帕金森病关键蛋白LRRK2的分子结构

　　

LRRK2（富含亮氨酸重复激酶2）的突变是帕金森病最常见的遗传病因之一。即使没有这些突变，一些帕金森病患者的LRRK2活性也升高，这使得LRRK2成为一个重要的可干预治疗靶点。

威尔康奈尔医学院的研究人员利用电子显微镜和生化技术，解析了LRRK2蛋白在不同状态下的结构，从而阐明了该蛋白如何在活性和非活性状态之间切换。

这项研究成果于8月10日发表在《Cell》杂志上，为新一代靶向疗法的开发指明了方向。

LRRK2是一台复杂的“机器”，由七个结构域组成。其中一些结构域如同“抓手”，帮助LRRK2与其他蛋白质和细胞内结构结合，而另外两个结构域则具有不同的酶活性。

GTP酶结构域结合GTP，这种分子被许多蛋白质（包括LRRK2）所利用。一般来说，这些蛋白质在结合GTP时处于“开启”状态，而当GTP转化为GDP时则处于“关闭”状态。

激酶结构域会在目标蛋白上添加磷酸基团，进而改变它们在细胞内的行为。这些修饰的水平升高与帕金森病有关。

LRRK2存在于全身各处，包括大脑、免疫系统、肺和肾脏。“挑战在于如何选择性地降低大脑中有害LRRK2的活性，同时保留其在其他组织中的正常功能，”共同通讯作者、威尔康奈尔医学院的Andres Leschziner教授说。

此前的研究发现，这两种酶活性之间存在交叉作用，于是研究人员着手探究这两个结构域如何相互作用以调节LRRK2的激酶活性。

他们让LRRK2在分别结合GTP或GDP的情况下呈现不同的构象。然后，他们分析了16种不同的LRRK2结构——有些结合了GTP，有些结合了GDP，还有一些则未结合任何分子。

通过捕捉如此多的结构快照，研究人员得以重建该蛋白在激活和失活过程中发生的结构变化顺序。

在深入分析这些结构后，他们发现LRRK2的活性很大程度上取决于其是否与GDP结合。

当GDP存在时，LRRK2呈现紧凑的结构，其关键结构域会阻断激酶活性位点，从而阻止其与目标蛋白相互作用。当GDP释放后，LRRK2转变为活性构象，暴露激酶活性位点，从而发挥其活性。这种活性构象可通过结合GTP而稳定。

共同通讯作者、威尔康奈尔医学院的Samara Reck-Peterson教授表示：“我们的观察揭示了调控LRRK2是否激活的机制；由于过度活跃与帕金森病有关，这为开发新型治疗药物提供了路线图。”

这些结构不仅揭示了LRRK2在正常情况下如何开启和关闭，还阐明了不同的帕金森病突变如何通过不同的机制增强其活性。一种常见的突变位于激酶活性位点，可直接增强激酶活性；而其他的常见突变虽远离该区域，但仍能激活该激酶。 

“这个领域的一个重大疑问是，‘相距如此之远的突变是如何激活激酶的？’”Reck-Peterson博士谈道。

为了解不同突变如何影响激酶活性，研究团队利用他们开发的分子工具，使LRRK2分别处于开启或关闭状态。

他们发现，GTP/GDP转换开关附近的突变会增加LRRK2处于激活状态的时间，而不是加快激酶的工作速度。这一差异表明，未来的治疗方案可能需要根据患者的具体基因突变进行个性化调整。

“我们的研究为药物化学家提供了设计药物的蓝图，这些药物可靶向LRRK2的开关，而不是直接作用于激酶本身，” Leschziner博士说。“与传统的激酶抑制剂相比，这类‘变构’药物可能精准度更高，且副作用更少。”