圣裘德儿童研究医院的科学家揭示了两种帕金森病相关蛋白质的复杂结构，这两种蛋白质都与迟发病例有关。富含亮氨酸重复激酶 2 (LRRK2) 是一种蛋白激酶，可在称为磷酸化的过程中修饰其他蛋白质;Rab29 是调节细胞运输的 Rab GTPase 家族的成员，可调节 LRRK2 的活性。Rab29 和 LRRK2 如何协同作用导致帕金森病仍不清楚。St. Jude 研究人员确定了 LRRK2 与 Rab29 结合的结构，揭示了 LRRK2 调控背后的奥秘，并为药物设计提供了启示。这项工作今天发表在《科学》杂志上。

帕金森病是继阿尔茨海默病之后第二常见的神经退行性疾病，影响 1-2% 的 65 岁以上人口。与该疾病的遗传联系众所周知，大约 15% 的病例有家族史。虽然与该疾病相关的基因有很多，但 LRRK2 突变是最常见的原因之一。由于其尺寸较大，对 LRRK2 的结构研究一直很麻烦。

“这种蛋白质的研究极具挑战性，”通讯作者、圣裘德结构生物学系孙吉博士说。

尽管存在这些困难，Sun 和他的团队还是于 2021 年在Cell上首次提出了全长 LRRK2 的结构。

“在第一篇论文中，我们获得了 LRRK2 的结构，但该结构显示出非活性构象，”Sun 解释道。蛋白质通常有活性和非活性形式，受不同的细胞信号调节。有时，需要与另一种蛋白质结合才能触发结构变化，将蛋白质从非活性形状转变为活性形状。“所以，我们开始思考，‘我们有 LRRK2 的一个关键状态。我们能得到它的活性构象吗?”

冷冻电子显微镜捕获 LRRK2 的活性状态

寻找活性构象并不像将 Rab29 添加到 LRRK2 中那么简单。LRRK2 可以通过称为寡聚化的过程与其他 LRRK2 分子结合。这可以将单个 LRRK2 单体(一个单元)转变为二聚体(两个单元)，甚至更大的组装体。这意味着研究人员必须寻找代表活性形式的版本。还有一个问题是 Rab29 位于细胞膜上。

Sun解释说：“在细胞中，大约90%或更多的LRRK2是细胞质的。”他指的是细胞质，即细胞膜包围的液体，含有细胞的许多成分。“极少量的物质位于膜表面并形成大的低聚物。这些都是活跃且实用的版本。”

研究人员(包括第一作者、圣裘德结构生物学系的 Hanwen Zhu 博士)利用冷冻电子显微镜确定了 Rab29-LRRK2 复合物的第一个结构。这包括单体(一对)和二聚体(两对)的结构，但也包括意想不到的四聚体(四对)。Zhu 说：“我们对这些结构发现感到非常兴奋，因为它们代表了在活跃状态下捕获的第一个高分辨率 LRRK2 结构。”

Sun补充说：“在这个四聚体中，我们看到了LRRK2的活性构象，但在单体和二聚体复合物中，LRRK2处于非活性构象。”

了解 Rab29-LRRK2 复合物

这些发现表明，LRRK2 的激活不仅取决于与其相互作用的蛋白质，还取决于它们在细胞内的空间排列。

“我们建议在膜募集时从单体过渡到四聚体，”孙解释道。“在细胞内部，主要是 LRRK2 的非活性单体或二聚体。但当 Rab29 将 LRRK2 招募到膜上时，LRRK2 的局部浓度会增加。这随后促进了向四聚体的转变，其中 LRRK2 变得活跃。”

对帕金森病有何影响?这些结构为研究人员提供了原子尺度的图谱，以追踪导致帕金森病的不同突变如何影响该复合体的功能。

“所有这些突变实际上都有利于活性构象，这意味着它们在活性构象中提供新的相互作用，或破坏非活性构象中的相互作用，”孙说。“突变的影响可以在我们的结构中完美地显现出来;解释得很好。”

这种结构研究的重要性不仅在于获得的见解，还在于它们在药物设计中的潜在应用。例如，研究人员还在药物 DNL201 存在的情况下捕获了 LRRK2 的结构。这种药物已通过一期临床试验，将蛋白质锁定在活性状态，因此它被用来验证他们的发现，即四聚体确实是复合物的活性形式。

“我们现在有一个非活性构象和一个活性构象，因此我们可以监测从非活性状态到活性状态的转变，”孙解释道。“这些结构为药物化学家提供了急需的见解，以设计针对 LRRK2 的新型抑制剂来治疗帕金森病。”