3D闪烁蛋白质结构可能导致线粒体疾病治疗

美国国立卫生研究院的科学家表示，他们已经开发出一种三维(3D)结构，使他们能够了解闪烁蛋白上的疾病突变如何以及在何处可以导致治疗线粒体疾病。

在开发这种3D结构之前，研究人员只有模型，无法确定这些突变如何导致疾病。线粒体疾病是一组遗传性疾病，影响五千分之一的人，而且治疗方法很少。

NIH研究“线粒体疾病中人类Twinkle解旋酶的结构洞察和表征”出现在PNAS上。

“Twinkle是哺乳动物解旋酶，对于线粒体DNA的复制和完整性至关重要。超过90种Twinkle解旋酶疾病变异体与进行性外眼肌麻痹和共济失调神经病以及其他线粒体疾病有关。尽管具有生物学和临床重要性，但Twinkle代表了人类最小线粒体复制体中唯一尚未确定结构特征的剩余成分，”研究人员写道。

“在这里，我们展示了人类TwinkleW315L的3维结构。利用冷冻电子显微镜(cryo-EM)，我们表征了人全长TwinkleW315L的寡聚体组装，定义了其多聚体界面，并绘制了遗传性线粒体疾病中与Twinkle相关的临床变异图谱。冷冻电镜、交联质谱和分子动力学模拟可深入了解W315L临床变体的动态运动和分子后果。

“总的来说，这个结构集合概述了研究线粒体DNA复制和相关疾病状态中Twinkle功能的框架。”

“我们第一次能够绘制出导致许多毁灭性疾病的突变图谱，”主要作者、国家环境健康科学研究所(NIEHS)线粒体DNA复制小组研究员AmandaA.Riccio博士说。“临床医生现在可以看到这些突变发生在哪里，并可以利用这些信息来帮助查明原因并帮助家庭做出选择，包括关于生育更多孩子的决定。”

这些新发现对于为患有线粒体疾病的患者开发有针对性的治疗方法特别重要，例如进行性外眼肌麻痹(一种可能导致参与眼睛和眼睑运动的肌肉功能丧失的疾病)、佩罗综合征(一种罕见的遗传性疾病，可导致眼睛和眼睑运动相关的肌肉功能丧失)。导致听力损失、婴儿期发病的脊髓小脑性共济失调(一种遗传性神经系统疾病)和肝脑线粒体DNA(mtDNA)耗竭综合征(一种可导致婴儿期肝衰竭和神经系统并发症的遗传性疾病)。

NIH的论文描述了NIEHS的研究人员如何率先准确地绘制出闪烁解旋酶(解旋线粒体双螺旋)中临床相关变异的图谱。闪烁结构和所有坐标现在都可以在开放数据蛋白质数据库中找到，所有研究人员都可以免费使用。

“闪烁的结构多年来一直困扰着研究人员。这是一种很难处理的蛋白质，”线粒体DNA复制小组的负责人、该论文的通讯作者WilliamC.Copeland博士指出。“通过稳定蛋白质并使用世界上最好的设备，我们能够构建人类线粒体DNA复制体最后缺失的片段。”

研究人员使用冷冻电子显微镜(CryoEM)，使他们能够看到蛋白质的内部以及数百个氨基酸或残基的复杂结构以及它们如何相互作用。最终的结构显示出多蛋白质的圆形排列。他们还使用质谱法验证结构，然后进行计算机模拟以了解突变导致疾病的原因。

眨眼间，该团队就能够绘制出多达25个致病突变。他们发现，许多疾病突变都位于两个蛋白质亚基的连接处，这表明该区域的突变会削弱亚基之间的相互作用，并使解旋酶无法发挥作用。

“闪烁的排列很像一个拼图。临床突变可以改变闪烁片的形状，它们可能不再正确地组合在一起以执行预期的功能，”里奇奥解释道。

“Riccio和团队的工作的美妙之处在于，这种结构使您能够看到如此多的疾病突变聚集在一个地方，”作家兼NIEHS研究员MatthewJ.Longley博士说。“一篇论文解释了如此多的临床突变，这很不寻常。感谢这项工作，我们距离获得可用于开发这些使人衰弱的疾病的治疗方法的信息又近了一步。”