IF=11.005【客户文章】Aging Cell：武汉大学张振涛教授团队揭示同型半胱氨酸修饰α-突触核蛋白在帕金森病中的作用

        帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是仅次于阿尔茨海默病的第二大神经退行性疾病，其特征性病理变化是黑质致密部多巴胺能神经元变性缺失，残存的神经元中形成路易小体，路易小体的主要成分是异常聚集的α-突触核蛋白（α-synuclein，α-Syn）[1]。目前PD的病因和发病机制尚未完全阐明，遗传与环境因素都参与PD的发生。但遗传和环境因素如何相互作用，共同导致α-Syn聚集和神经损伤呢？流行病学研究显示高同型半胱氨酸血症会增加PD的风险[2]。然而，同型半胱氨酸（homocysteine, Hcy）促进PD发病的分子机制尚不明确。

        2022年11月29日，武汉大学人民医院神经内科张振涛教授团队在Aging Cell上发表了题为“N-homocysteinylation of α-synuclein promotes its aggregation and neurotoxicity”的文章，提出同型半胱氨酸修饰在PD发病机制中的作用。周玲妍博士和郭陶博士为论文共同第一作者，张振涛教授和包安裕教授为论文共同通讯作者。此项研究发现，Hcy的代谢产物—同型半胱氨酸硫内酯（Homocysteine thiolactone，HTL）可共价修饰α-Syn的K80位点，促进α-Syn的聚集和毒性作用。

        HTL是Hcy由蛋氨酸tRNA合成酶（methionine-tRNA synthetase，MARS）催化生成的产物，高水平的Hcy会促进HTL的产生[3]。近期有研究发现HTL可以共价修饰某些蛋白中的赖氨酸残基，这一过程称为同型半胱氨酸修饰[4]。作者团队猜测Hcy促进PD发病的途径是通过HTL直接对α-Syn进行共价修饰。

        首先，研究人员利用特异性化学探针，检测到了HTL可共价修饰α-Syn，并且这种修饰的水平随着Hcy和HTL水平的增加而增加。敲低MARS后同型半胱氨酸修饰减少，提示Hcy需要经MARS转变成HTL后才能够修饰α-Syn（图1）。

图1 α-Syn发生同型半胱氨酸修饰（图源：Zhou, ZL. et al., Aging Cell, 2022）

        同型半胱氨酸修饰一般发生在蛋白质的赖氨酸残基上，α-Syn中有多个赖氨酸，哪些赖氨酸能够被修饰呢？研究人员利用质谱分析，发现α-Syn的K80位点是主要的修饰位点，并且以K80同型半胱氨酸修饰后的肽段作为抗原，制备了特异性识别K80位点修饰的抗体，称为K80Hcy抗体。研究人员构建了多个α-Syn的突变体，将赖氨酸依次突变为精氨酸（K→R），结果发现K80位点突变后，α-Syn的同型半胱氨酸修饰消失。同时，敲低MARS的表达也明显减少K80Hcy位点的修饰（图2）。

图2 同型半胱氨酸修饰主要发生在α-Syn的K80位点（图源：Zhou, ZL. et al., Aging Cell, 2022）

        为了探究K80Hcy在PD模型小鼠与PD病人中的表达情况，研究人员进行了免疫组织化学、免疫荧光和免疫印迹实验。结果表明，α-Syn A53T转基因小鼠与PD病人脑中，均存在K80Hcy，并且可与磷酸化的α-syn（pS129）共定位。同时，在α-Syn A53T转基因小鼠脑组织中，K80Hcy、pS129、HTL与Hcy一样，均呈现年龄依赖的增加（图3）。

图3 PD小鼠脑组织中K80Hcy修饰呈年龄依赖性增加（图源：Zhou, ZL. et al., Aging Cell, 2022）

        接下来，研究人员进一步研究了同型半胱氨酸修饰对α-Syn聚集的影响。体外研究表明，同型半胱氨酸修饰促进α-Syn的聚集。而且形成的α-syn聚集体具有更强的播散能力，也更难被蛋白酶K所降解。这些结果表明，同型半胱氨酸修饰促进了α-Syn的聚集和播种能力（图4）。

图4 同型半胱氨酸修饰促进α-Syn聚集和播散（图源：Zhou, ZL. et al., Aging Cell, 2022）

        Hcy是蛋氨酸代谢途径的副产物，高蛋氨酸饮食可提高体内Hcy的水平。研究人员通过向α-Syn A53T转基因小鼠的饮水中加入蛋氨酸，观察Hcy水平的改变对PD发病的影响。结果表明，高蛋氨酸饮食可以增加Hcy水平，提高小鼠脑内K80Hcy水平，神经病理、多巴胺神经元退变以及运动障碍都更加严重（图5）。

图5 高Hcy血症加重PD小鼠的病理改变（图源：Zhou, ZL. et al., Aging Cell, 2022）

        为了探究α-Syn K80位点的同型半胱氨酸修饰在PD发病中的作用，研究人员利用腺相关病毒（AAV）分别在野生型小鼠的黑质过表达α-Syn A53T和不能被同型半胱氨酸修饰的A53T-K80R，这两种α-Syn病毒均能引起α-Syn病理改变，对其分别进行普通喂养与高蛋氨酸喂养。结果显示，高蛋氨酸喂养后，注射A53T-K80R的小鼠的神经病理、多巴胺神经元退变与运动损伤都比注射α-Syn A53T病毒的小鼠减轻，这些结果提示α-Syn K80位点的同型半胱氨酸修饰促进α-Syn聚集和PD样病理改变（图6）。
 

图6 α-Syn的K80Hcy修饰促进PD发病（图源：Zhou, ZL. et al., Aging Cell, 2022）

图7 机制示意图（图源：Zhou, ZL. et al., Aging Cell, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

        综上所述，该研究揭示了α-Syn的K80位点可以被同型半胱氨酸修饰，而且修饰的水平随着年龄的增长而逐渐增高。同时，同型半胱氨酸修饰促进了α-Syn的聚集和播种能力，加重PD样病理改变。因此，该研究证实了同型半胱氨酸修饰调控α-Syn聚集，促进PD发病。这是首.个针对同型半胱氨酸修饰介导α-Syn结构和功能改变的研究，为PD的诊断、药物的设计与研发提供了新的思路。但值得注意的是，该研究未进一步探索为何同型半胱氨酸修饰对α-Syn的K80位点有如此偏好？是否存在某些调控模式或分子构象差异导致这一现象？K80位点修饰的α-Syn聚集体为何具有更强的致病性？此外，这一新机制的发现是否也可推广到其他与α-Syn病理改变有关的突触核蛋白病，还需要进一步的实验去验证。

        武汉大学人民医院神经内科的周玲妍博士和郭陶博士为本文共同第一作者，武汉大学人民医院张振涛教授和包安裕教授为本文共同通讯作者。其他参与研究者包括武汉大学人民医院神经内科孟兰霞博士、张星雨博士、田野博士、戴莉君博士等。此项研究受到国家重点研发计划和国家自然科学基金面上项目经费支持。

武汉大学人民医院张振涛团队（照片提供自：武汉大学人民医院张振涛团队）

参考文献：

[1] Fares MB, Jagannath S, Lashuel HA. Reverse engineering Lewy bodies: how far have we come and how far can we go? Nat Rev Neurosci 2021;22:111-31.

[2] Bakeberg MC, Jefferson A, Riley M, et al. Elevated Serum Homocysteine Levels Have Differential Gender-Specific Associations with Motor and Cognitive States in Parkinson's Disease. Parkinsons Dis 2019;2019:3124295.

[3] Jakubowski H. Quality control in tRNA charging -- editing of homocysteine. Acta Biochim Pol 2011;58:149-63.

[4] Jakubowski H. Homocysteine Modification in Protein Structure/Function and Human Disease. Physiol Rev 2019;99:555-604.

本文使用的病毒产品全部来自枢密科技，列表如下：

我司可提供基因过表达、干扰、编辑定制服务，以下为相关产品案例

如有相关实验需求，或了解更多产品和服务，欢迎咨询我们！