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Nature | 張哲/楊競組共同揭示NAD+介導的神經細胞“殺手”Sarm1蛋白的活性調節機製

日期: 2020-10-15

病理性軸突退行(Pathological axonal degeneration)是神經係統疾病中常見的一種病理變化,表現為軸突腫脹、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係統疾病,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,不同於經典的細胞凋亡(Apoptosis)、焦亡(Proptosis)和壞死(Necroptosis)等。目前的研究顯示,NAD+ Nicotinamide adenine dinucleotide)對於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為了針對神經退行性疾病藥物研發的重要靶點。如果能夠有效地抑製其活性,將有望抑製各種神經退行性病變的發生和發展。但是,目前為止,人們對於Sarm1蛋白如何在健康的神經細胞中活性被抑製,而隻有在神經損傷和病理條件下才會被激活的分子機製還沒有充分的了解,這極大地限製了藥物研發的進程。

202010月14日,永利55402开户注册張哲和楊競課題組合作在Nature雜誌上發表了題為“The NAD+-mediated self-inhibition mechanism of pro-neurodegenerative Sarm1”的文章,揭示了NAD+介導的Sarm1蛋白的活性調節機製。該文章首先使用冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)解析了Sarm1全長蛋白分辨率為2.6 Å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)的相互作用抑製了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製狀態。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的活性具有抑製作用,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+通過這種方式對Sarm1蛋白的水解酶活性發揮負調節作用。於是,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+結合位點。接下來,通過生物化學和神經生物學等實驗,作者對這個重要的NAD+別構調節位點進行了驗證,同時揭示了其對於Sarm1蛋白NAD+水解活性以及軸突退行的關鍵抑製作用。

由此,作者提出了Sarm1蛋白活性調節的分子機製(圖1):在健康的神經細胞中,高濃度的NAD+(約500 µM)結合並穩定了Sarm1ARM的結構,使其能夠與Sarm1TIR相互作用,進而抑製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+對於Sarm1蛋白功能調控的分子機製,而且更為針對Sarm1蛋白開展的藥物研發提供了一個全新和精準的靶點。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於神經損傷及神經退行性疾病的治療。

永利55402开户注册張哲研究員和楊競研究員為該文章的共同通訊作者,張哲實驗室的科研助理蔣玥鳳為該論文的第一作者,楊競實驗室的劉婷婷博士、美國St. Jude Children's Research HospitalChia-Hsueh Lee研究員和清華大學結構生物學高精尖創新中心的常卿博士也為該工作做出了重要的貢獻。該課題得到永利55402开户注册、生命科學聯合中心、膜生物學國家重點實驗室和國家自然科學基金委員會的項目資助;並依托北京大學冷凍電鏡平台、高性能計算中心和公共儀器中心鳳凰工程蛋白質平台的技術支持。

1. NAD+介導的Sarm1蛋白的活性調節機製

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