北京时间2024年11月1日，武汉大学生命科学学院、泰康生命医学中心梁毅团队在Science Advances上发表了Amyloid fibril structures and ferroptosis activation induced by ALS-causing SOD1 mutations的文章，首次在原子水平上解析了铜锌超氧化物歧化酶（SOD1）病理突变体H46R和G85R淀粉样纤维的高分辨率冷冻电镜结构（3.11 Å和2.97 Å），揭示了H46R和G85R淀粉样纤维对神经细胞铁死亡激活调控并诱发家族遗传型肌萎缩侧索硬化症（ALS）新机制，为发展新的针对SOD1突变体纤维的ALS治疗药物奠定了基础。此外，通过激光共聚焦显微和免疫印迹等方法，他们还发现，与野生型SOD1纤维相比，这些突变体纤维具有更强的诱导细胞内源SOD1聚集和线粒体功能紊乱的能力，显著激活受谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）调节的神经细胞铁死亡。
通过进一步研究，研究团队发现，这两种显著影响金属离子结合的病理突变体H46R和G85R的纤维结构具有相似的仅由C端片段组成的纤维核心，与在N端和C端间形成了稳定盐桥作用的野生型纤维结构大不相同，异硫氰酸胍解聚实验发现这两种突变体纤维的稳定性相比野生型显著降低。在G85R聚集过程中，单股原纤维通过病理突变位点的Arg85和Asp101之间形成的盐桥发生相互作用，形成一个亲水空腔，而在H46R聚集过程中，单股原纤维则通过Asn86和Asp101之间形成的氢键发生相互作用，形成一个亲水空腔。此前研究表明，SOD1氨基酸位点突变会带来的自由能形貌变化和活化构象扰动，那么该工作解析到的不同突变体生长纤维的结构多样性或许是一系列物理化学性质变化的下游事件。
SOD1病理突变体H46R和G85R的纤维结构具有相似的仅由C端片段组成的纤维核心，与在N端和C端间形成了稳定盐桥作用的野生型纤维结构大不相同
该工作首次揭示了H46R纤维、G85R纤维和野生型SOD1纤维之间的结构差异，在原子水平上揭示了SOD1病理突变体H46R和G85R淀粉样纤维激活细胞铁死亡的机制，证明金属离子结合区域的两种病理突变都能够破坏SOD1纤维中重要的相互作用（例如盐桥），使得这些病理突变体纤维结构形成了彼此类似但又完全不同于野生型SOD1纤维的构象，突显了具有相似功能的SOD1病理突变体可能表现出相似的纤维结构的重要性，并使得发展新的针对SOD1突变体纤维及其激活的铁死亡的ALS治疗药物成为可能。
机制模式图
该工作得到了国家自然科学基金、武汉大学泰康生命医学中心科研经费、深圳市科技创新委员会科技计划和中国博士后科学基金等的支持。
武汉大学生命科学学院博士后王利强、中国科学院生物与化学交叉研究中心博士生马烨阳和武汉大学生命科学学院博士生张沐雅为论文的共同第一作者，梁毅教授和中国科学院生物与化学交叉研究中心刘聪教授为通讯作者，武汉大学土木建筑工程学院王正直教授、深圳市人民医院神经内科邹良玉教授等参与了论文的研究工作，武汉大学科研公共服务条件平台冷冻电镜机组特聘高级工程师李丹阳和实验员李香凝在数据收集工作中提供了重要协助。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado8499
梁毅团队长期专注于神经退行性疾病相关重要蛋白质朊蛋白、Tau蛋白、铜锌超氧化物歧化酶（SOD1）和TDP-43及其病理突变体淀粉样纤维的冷冻电镜结构测定及功能研究，在野生型朊蛋白及其病理突变体E196K淀粉样纤维和野生型SOD1淀粉样纤维冷冻电镜结构及功能前期工作（2020年6月8日、2021年9月9日、2022年6月17日和2023年12月8日分别发表于Nature Structural & Molecular Biology、Science Advances、Nature Communications和Nature Communications）中，研究团队解析了全长野生型朊病毒蛋白纤维、全长E196K纤维和类朊病毒蛋白野生型SOD1纤维的结构，首次在原子水平上揭示了朊蛋白由PrPC向PrPSc结构转变的机制，揭示了朊病毒蛋白病理聚集多态性的分子机制，揭示了渐冻症（ALS）致病蛋白质SOD1构象转化分子机制，揭示了miRNA对PrPC相分离、肌肉细胞自噬及分化调控机制。
