圣裘德兒童研究醫院的科學家揭示了兩種帕金森病相關蛋白質的復雜結構，這兩種蛋白質都與遲發病例有關。富含亮氨酸重復激酶 2 (LRRK2) 是一種蛋白激酶，可在稱為磷酸化的過程中修飾其他蛋白質;Rab29 是調節細胞運輸的 Rab GTPase 家族的成員，可調節 LRRK2 的活性。Rab29 和 LRRK2 如何協同作用導致帕金森病仍不清楚。St. Jude 研究人員確定了 LRRK2 與 Rab29 結合的結構，揭示了 LRRK2 調控背后的奧秘，并為藥物設計提供了啟示。這項工作今天發表在《科學》雜志上。

帕金森病是繼阿爾茨海默病之后第二常見的神經退行性疾病，影響 1-2% 的 65 歲以上人口。與該疾病的遺傳聯系眾所周知，大約 15% 的病例有家族史。雖然與該疾病相關的基因有很多，但 LRRK2 突變是最常見的原因之一。由于其尺寸較大，對 LRRK2 的結構研究一直很麻煩。

“這種蛋白質的研究極具挑戰性，”通訊作者、圣裘德結構生物學系孫吉博士說。

盡管存在這些困難，Sun 和他的團隊還是于 2021 年在Cell上首次提出了全長 LRRK2 的結構。

“在第一篇論文中，我們獲得了 LRRK2 的結構，但該結構顯示出非活性構象，”Sun 解釋道。蛋白質通常有活性和非活性形式，受不同的細胞信號調節。有時，需要與另一種蛋白質結合才能觸發結構變化，將蛋白質從非活性形狀轉變為活性形狀。“所以，我們開始思考，‘我們有 LRRK2 的一個關鍵狀態。我們能得到它的活性構象嗎?”

冷凍電子顯微鏡捕獲 LRRK2 的活性狀態

尋找活性構象并不像將 Rab29 添加到 LRRK2 中那么簡單。LRRK2 可以通過稱為寡聚化的過程與其他 LRRK2 分子結合。這可以將單個 LRRK2 單體(一個單元)轉變為二聚體(兩個單元)，甚至更大的組裝體。這意味著研究人員必須尋找代表活性形式的版本。還有一個問題是 Rab29 位于細胞膜上。

Sun解釋說：“在細胞中，大約90%或更多的LRRK2是細胞質的。”他指的是細胞質，即細胞膜包圍的液體，含有細胞的許多成分。“極少量的物質位于膜表面并形成大的低聚物。這些都是活躍且實用的版本。”

研究人員(包括第一作者、圣裘德結構生物學系的 Hanwen Zhu 博士)利用冷凍電子顯微鏡確定了 Rab29-LRRK2 復合物的第一個結構。這包括單體(一對)和二聚體(兩對)的結構，但也包括意想不到的四聚體(四對)。Zhu 說：“我們對這些結構發現感到非常興奮，因為它們代表了在活躍狀態下捕獲的第一個高分辨率 LRRK2 結構。”

Sun補充說：“在這個四聚體中，我們看到了LRRK2的活性構象，但在單體和二聚體復合物中，LRRK2處于非活性構象。”

了解 Rab29-LRRK2 復合物

這些發現表明，LRRK2 的激活不僅取決于與其相互作用的蛋白質，還取決于它們在細胞內的空間排列。

“我們建議在膜募集時從單體過渡到四聚體，”孫解釋道。“在細胞內部，主要是 LRRK2 的非活性單體或二聚體。但當 Rab29 將 LRRK2 招募到膜上時，LRRK2 的局部濃度會增加。這隨后促進了向四聚體的轉變，其中 LRRK2 變得活躍。”

對帕金森病有何影響?這些結構為研究人員提供了原子尺度的圖譜，以追蹤導致帕金森病的不同突變如何影響該復合體的功能。

“所有這些突變實際上都有利于活性構象，這意味著它們在活性構象中提供新的相互作用，或破壞非活性構象中的相互作用，”孫說。“突變的影響可以在我們的結構中完美地顯現出來;解釋得很好。”

這種結構研究的重要性不僅在于獲得的見解，還在于它們在藥物設計中的潛在應用。例如，研究人員還在藥物 DNL201 存在的情況下捕獲了 LRRK2 的結構。這種藥物已通過一期臨床試驗，將蛋白質鎖定在活性狀態，因此它被用來驗證他們的發現，即四聚體確實是復合物的活性形式。

“我們現在有一個非活性構象和一個活性構象，因此我們可以監測從非活性狀態到活性狀態的轉變，”孫解釋道。“這些結構為藥物化學家提供了急需的見解，以設計針對 LRRK2 的新型抑制劑來治療帕金森病。”