Nature子刊：武大梁毅团队等首次解析朊病毒蛋白纤维高分辨率结构

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2020年6月8日，武汉大学生命科学学院细胞稳态湖北省重点实验室梁毅研究组等在 Nature 子刊 Nature Structural & Molecular Biology 杂志在线发表了题为：Cryo-EM structure of an amyloid fibril formed by full-length human prion protein 的研究论文。首次在原子水平上解析了全长朊病毒蛋白纤维的高分辨率冷冻电镜结构（2.70 Å）。

人类朊病毒病是一种无法治愈的、致命的神经退行性疾病，通常表现为快速展行性痴呆。不管病因是散发性的、遗传性的还是获得性的，也不管临床名称是克雅氏病、致命性家族性失眠、或者GSS综合征，所有的朊病毒病均由一个单一的分子机制导致。即都是由PRNP基因编码的朊病毒蛋白(PrP)的构象从其固有折叠形式(细胞朊病毒蛋白或PrPC)到一种自我复制的错误折叠形式(骚痒病朊病毒蛋白或PrPSc)的变化引起的。

朊病毒的发现之旅

1957年，美国科学家盖杜谢克（Daniel Gajdusek，1923－2008年）在巴布新几内亚东部高地发现一个土著部落Fore族，Fore族有很多人得了一种被称为库鲁病的怪病，潜伏期较长，前期患者仅感头痛及关节疼痛，继之出现共济失调、震颤、不自主运动，后者包括舞蹈症、肌阵挛等，在病程晚期出现进行性加重的痴呆，神经异常。患者多在发病3～6个月内死亡。

起初，盖杜谢克以为库鲁病是遗传病，后来他发现Fore族有食用已故亲人的脏器以示怀念的习俗，盖杜谢克经过研究发现，库鲁病是一种经消化道传播的未知致病因子的传染性疾病。

在盖杜谢克的劝说下，Fore族废除了这一习俗，库鲁病从此绝迹，再未发现新的病例。

盖杜谢克，图片来自诺贝尔奖官网

因发现了库鲁病这种新型的致病和传播机制，并消除了这种致命性疾病，盖杜谢克荣获1976年的诺贝尔生理学或医学奖。而库鲁病的致病源正是后来被发现的Prion（朊病毒）。

克雅氏病是一种罕见的主要发生在50-70岁之间的可传播的脑病，受感染的人可以有睡眠紊乱，个性改变，共济失调，失语症，视觉丧失，物理，肌肉萎缩，肌阵挛，进行性痴呆等症状，并且会在发病的一年内死亡。该疾病早在1922年就被发现，但一直不清楚致病原因，也无法医治。克雅氏病发病率非常低，不足百万分之一，目前全世界每年有6000多人患病。

1982年，美国生化学家史坦利·布鲁希纳（Stanley Prusiner，1942年-）在Science杂志发表论文，成功分离出导致克雅氏病的致病因子，并将其命名为Prion（朊病毒）。

1991年，史坦利·布鲁希纳在Science杂志发表论文，揭示了朊病毒的致病机制，从而阐明了动物瘙痒症以及人类克雅氏病等致病原因。

史坦利·布鲁希纳，图片来自诺贝尔奖官网

因发现朊病毒及阐述其致病机理，布鲁希纳荣获了1997年的诺贝尔生理学或医学奖。

朊病毒的不解之谜

中心法则

中心法则，是现代生物学中最重要最基本的规律，现代生物学的理论基石，该法则最早由DNA双螺旋结构的发现者之一弗朗西斯·克里克于1958年提出。

根据中心法则，遗传信息的流动方向为：DNA→DNA（DNA的自我复制），DNA→RNA（转录），RNA→蛋白质（翻译），以及逆转录病毒的RNA→RNA（RNA的自我复制），RNA→DNA（逆转录）。

然而，朊病毒（prion）是蛋白质，不含有任何DNA和RNA，也就是没有遗传物质，但是却能自我复制和传播疾病。朊病毒是生物，但看起来却又违背了“中心法则”，朊病毒的发现让现代生物学的理论基石摇摇欲坠。

朊病毒的致病机制

1991年，发现朊病毒后的第9年，布鲁希纳成功阐明了朊病毒的致病机制。

朊病毒（prion）实质是一类具有感染性的特殊蛋白，朊病毒（SC型PrP型蛋白）接触到了生物体内正常的C型PrP蛋白，导致C型的变成了SC型，通过蛋白变构来批量复制自己。

所以，朊病毒依然是由基因编码的，通过改变正常PrP蛋白的构象来实现自我复制和传播疾病。

还好，现代生物学的理论基石——中心法则不需要修正了。

严格说来，朊病毒这个翻译名称并不合适，因此现在也用朊粒或朊蛋白来称呼prion。

各种类型的朊病毒

自朊病毒发现以来，科学家们陆续在人类、动物、植物、真菌和细菌中发现了朊病毒。其中人的朊病毒病已发现4种：库鲁病、克雅氏病、GSS综合症及致死性家族性失眠症。

2019年1月21日，西北农林科技大学生命科学学院许晓东课题组在 Nature Communications 杂志发表研究论文，首次发现由病毒编码的朊病毒，该发现将朊病毒从细胞生物扩展到了非细胞的病毒世界，证实了朊病毒在自然界的普遍存在。

朊病毒所导致的疾病

目前，人类已发现多种由朊病毒导致的疾病，如在人类中传播的库鲁病、克雅氏病、致命性家族性失眠、或者GSS综合征等等，以及在动物中传播的疯牛病、羊瘙痒症等等。

人类的朊病毒病，一旦发病就无药可医，通常在一个月内死亡。动物的朊病毒病，如疯牛病和羊瘙痒症，不但给畜牧业造成巨大损失，而且还会通过使用牛羊肉而传播给人类。

除了库鲁病，因为发病局限于一个小部落内，部落群众不再食用大脑后，库鲁病也就消失了。而其他的朊病毒仍在人间肆虐，目前全世界每年仍有超过6000人因克雅氏病死亡。1986年在欧洲爆发的疯牛病，除了导致数十万头牛的死亡，还导致数十人被感染而死亡。

解析全长朊病毒蛋白纤维

朊病毒病的主要病理特征为PrP由细胞型朊蛋白（PrPC）转变为病理型朊病毒蛋白（PrPSc），PrPSc和PrP的淀粉样纤维可以作为模板诱导PrPC发生构象转变。然而，由于PrPSc和PrP纤维的不溶性和异质性，目前仍无高分辨率的PrPSc和全长PrP纤维的结构。

在朊病毒蛋白前期工作的基础上，武汉大学生科院梁毅教授团队和中国科学院上海有机所生物与化学交叉研究中心刘聪教授团队、华中农业大学生命科学技术学院殷平教授团队合作，首次在原子水平上解析了全长朊病毒蛋白纤维的高分辨率冷冻电镜结构（2.70 Å），发现PrP纤维核心主要由其C端的170-229组成。

朊蛋白纤维由两股原纤维以左手螺旋的方式缠绕而成，在朊蛋白聚集过程中，两股原纤维通过Lys194和Glu196之间形成的盐桥发生相互作用，在其相互作用的界面处形成了一个亲水腔。同时，对于这样新奇的结构，研究团队对于其病理学意义进行了探索，发现在PrP纤维结构中形成盐桥的三个关键氨基酸残基Lys194、Glu196和Glu211都是与prion疾病相关联的病理突变位点。

这项工作的实验结果表明，在PrP错误折叠过程中，PrPC C端的两个α-螺旋转变成PrP纤维的β-折叠结构，Cys179和Cys214之间的二硫键起到了稳定淀粉样纤维结构的作用。

上述研究在原子水平上揭示了PrP由PrPC向PrPSc结构转变的机制，启示不同的病理突变体在调节朊病毒蛋白构象转化中可能发挥着不同的作用，并使得发展新的基于PrP纤维结构的prion疾病治疗药物成为可能，具有重要的科学意义。

全长人朊病毒蛋白纤维的冷冻电镜结构

全长人朊病毒蛋白纤维的原子结构模型

人野生型PrPC和PrP纤维结构比较

据悉，武汉大学生命科学学院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本论文通讯作者，武汉大学生科院2017级博士研究生王利强为第一作者，中国科学院上海有机所生物与化学交叉研究中心博士研究生赵焜为并列第一作者，武汉大学生科院2020级博士研究生袁菡烨和华中农业大学生命科学技术学院殷平教授、博士研究生王强等参与了该论文的研究工作。该项工作得到了国家自然科学基金委和国家科技部的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41594-020-0441-5

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