Science：解析出兩種帕金森病相關蛋白結合在一起時的三維結構

　　蛋白LRRK2和Rab29是兩種與晚發性帕金森病有關的蛋白。LRRK2是一種蛋白激酶，它能在一種叫做磷酸化的過程中修飾其它蛋白。Rab29是Rab GTP酶家族的成員，它能調節細胞轉運，并能調節LRRK2的活性。

　　目前還不清楚Rab29和LRRK2是如何協同作用導致帕金森病的。在一項新的研究中，來自美國圣猶大兒童研究醫院的研究人員揭示了LRRK2和Rab29的復雜結構。他們確定了LRRK2與Rab29結合在一起時的結構，揭開了LRRK2調控背后的奧秘，并提出了對藥物設計有意義的見解。相關研究結果發表在2023年12月22日的Science期刊上，論文標題為“Rab29-dependent asymmetrical activation of leucine-rich repeat kinase 2”。

　　帕金森病是僅次于阿爾茨海默病的第二大常見神經退行性疾病，65歲以上的老年人口中有1%～2%的人患有該病。眾所周知，帕金森病與遺傳有關，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 基因突變是最常見的原因之一。由于 LRRK2 體積龐大，對其進行結構研究非常麻煩。

　　論文通訊作者、圣猶大兒童研究醫院結構生物學系的Ji Sun博士說，“對這種蛋白的研究極具挑戰性。”

　　盡管困難重重，Sun和他的團隊還是于 2021 年在Cell期刊上首次發表了全長 LRRK2 的結構（Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.05.004）。Sun解釋說，“在這篇Cell論文中，我們得到了LRRK2的結構，但該結構顯示出一種非活性構象。”蛋白通常有活性和非活性兩種形式，受不同的細胞信號調控。有時，它需要與另一種蛋白結合才能引發結構變化，從而使它從非活性形態轉變為活性形態。“于是我們開始思考：我們獲得了 LRRK2 的一種關鍵狀態。我們能得到它的活性構象嗎？”

　　低溫電鏡捕捉 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 可以與其他 LRRK2 分子結合，這一過程被稱為寡聚化。這可以將單個 LRRK2 單體變成二聚體，甚至更大的組合體。這意味著這些作者必須尋找代表LRRK2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，約90%或更多的LRRK2位于細胞質。極少量位于細胞膜表面，形成大的寡聚體。這些寡聚體就是具有活性和功能的版本。”

　　包括論文第一作者、圣猶大兒童研究醫院結構生物學系博士Hanwen Zhu在內，這些作者利用低溫電鏡首次確定了Rab29-LRRK2復合物的結構，其中包括LRRK2單體和二聚體的結構，以及一個意想不到的四聚體的結構。

　　圖片來自Science, 2023, doi:10.1126/science.adi9926。

　　Sun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它相互作用的蛋白，還取決于它們在細胞內的空間排列。

　　Sun 解釋說，“我們提出了細胞膜招募后LRRK2從單體到四聚體的轉變。在細胞內，LRRK2大多是無活性的單體或二聚體。但當 Rab29 將 LRRK2 募集到細胞膜上時，LRRK2 的局部濃度就會增加。這就促進了LRRK2向四聚體的轉變，從而使LRRK2變得活躍起來。”

　　這些發現對帕金森病有什么影響呢？這些結構為科學家們提供了原子尺度的結構圖，用來追蹤導致帕金森病的不同突變如何影響這種Rab29-LRRK2的功能。

　　Sun說，“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了新的相互作用，或者破壞了非活性構象中的相互作用，在我們的結構中，突變的影響可以被很好地可視化觀察；它得到了很好的解釋。”

　　這類結構研究的重要性不僅在于所獲得的型見解，還在于它們在藥物設計中的潛在應用。例如，這些作者還捕捉到了藥物 DNL201 存在時 LRRK2 的結構。這種藥物經過了1期臨床試驗，能將這種蛋白鎖定在活性狀態，因此他們利用這一點來驗證他們的發現，即四聚體確實是這種復合物的活性形式。

　　Sun 解釋說，“我們如今有了非活性構象和活性構象，因此可以監測從非活性狀態到活性狀態的轉變。這些結構為藥物化學家設計治療帕金森病的新型 LRRK2 抑制劑提供了急需的見解。”