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Nature | 张哲/杨竞组共同揭示NAD+介導的神经细胞“杀手”Sarm1蛋白的活性調節機制

日期: 2020-10-15

病理性軸突退行(Pathological axonal degeneration)是神經系統疾病中常見的一種病理變化,表現爲軸突腫脹、碎裂和萎縮等。軸突退行能夠進一步導致神經細胞胞體的死亡和退化,從而與各種神經退行性疾病的發生密切相關,比如,阿爾茲海默症、帕金森症等中樞神經系統疾病,以及化療和糖尿病引起的外周神經損傷等。

軸突退行是一種特殊的程序性細胞死亡過程,不同于經典的細胞凋亡(Apoptosis)、焦亡(Proptosis)和壞死(Necroptosis)等。目前的研究顯示,NAD+ Nicotinamide adenine dinucleotide)對于維持軸突的存活至關重要。相應地,兩種與NAD+代謝相關的蛋白酶對該過程起到了關鍵的調控作用。其中,NMNATNicotinamide nucleotide adenylyltransferase)蛋白通過合成NAD+起到保護軸突的作用;相反,Sarm1Sterile alpha and Toll/interleukin-1 receptor motif-containing protein 1)蛋白則通過降解NAD+促進軸突的退行。Sarm1蛋白在軸突退行中的核心地位使得它成爲了針對神經退行性疾病藥物研發的重要靶點。如果能夠有效地抑制其活性,將有望抑制各種神經退行性病變的發生和發展。但是,目前爲止,人們對于Sarm1蛋白如何在健康的神經細胞中活性被抑制,而只有在神經損傷和病理條件下才會被激活的分子機制還沒有充分的了解,這極大地限制了藥物研發的進程。

202010月14日,天天赢彩票张哲和杨竞课题组合作在Nature雜志上發表了題爲“The NAD+-mediated self-inhibition mechanism of pro-neurodegenerative Sarm1”的文章,揭示了NAD+介導的Sarm1蛋白的活性調節機制。該文章首先使用冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)解析了Sarm1全長蛋白分辨率爲2.6 ?的結構。結構顯示,Sarm1蛋白自身以環狀的八聚體形式存在,ARM結構域(Sarm1ARM)通過與TIR結構域(Sarm1TIR)的相互作用抑制了Sarm1TIR水解NAD+的活性。利用這種方式,Sarm1蛋白維持了自身在健康神經元中的活性抑制狀態。更重要的是,作者通過對全長Sarm1蛋白降解NAD+活性的動力學分析發現,高濃度的NAD+Sarm1的活性具有抑制作用,由此顯示該蛋白中除了Sarm1TIRNAD+底物結合位點外,還應該存在一個NAD+的別構調節位點,NAD+通过这种方式對Sarm1蛋白的水解酶活性發揮負調節作用。于是,作者進一步解析了Sarm1蛋白與NAD+複合物的冷凍電鏡結構,在Sarm1ARM中成功發現了這個全新的NAD+结合位点。接下来,通过生物化学和神经生物学等实验,作者對这个重要的NAD+别构调节位点进行了验证,同时揭示了其對于Sarm1蛋白NAD+水解活性以及軸突退行的關鍵抑制作用。

由此,作者提出了Sarm1蛋白活性調節的分子機制(圖1):在健康的神經細胞中,高濃度的NAD+(約500 ?M)結合並穩定了Sarm1ARM的結構,使其能夠與Sarm1TIR相互作用,進而抑制Sarm1TIRNAD+水解活性;物理性損傷或病理性刺激能夠一定程度上降低軸突內的NAD+水平,使得Sarm1ARM中結合的NAD+解離,這樣便削弱了該結構域結構的穩定性及其與Sarm1TIR的結合能力,從而釋放了Sarm1TIRNAD+水解活性,由此引發NAD+的迅速降解。這種NAD+的急劇損失影響了細胞的能量代謝等多種生物學過程,最終導致了軸突的死亡和進一步的神經退行。

這項工作不但闡明了NAD+對于Sarm1蛋白功能调控的分子机制,而且更为针對Sarm1蛋白開展的藥物研發提供了一個全新和精准的靶點。能夠模擬NAD+結合並穩定Sarm1ARM結構的小分子化合物將有望被用于神經損傷及神經退行性疾病的治療。

天天赢彩票张哲研究员和杨竞研究员为该文章的共同通讯作者,张哲实验室的科研助理蒋玥凤为该论文的第一作者,杨竞实验室的刘婷婷博士、美国St. Jude Children's Research HospitalChia-Hsueh Lee研究员和清华大学结构生物学高精尖创新中心的常卿博士也为该工作做出了重要的贡献。该课题得到天天赢彩票、生命科學聯合中心、膜生物学国家重點實驗室和国家自然科学基金委員會的项目资助;并依托北京大学冷冻电镜平台、高性能计算中心和生命科学学院公共儀器中心凤凰工程蛋白质平台的技术支持。

1. NAD+介導的Sarm1蛋白的活性調節機制

原文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2862-z