一種難以捉摸的蛋白被許多人認為是全面了解遺傳性帕金森病病因的關鍵，而且如今卻更加清晰地成為人們關注的焦點。

帕金森病影響著全世界數以百萬計的人，它是一種神經系統疾病，會逐漸攻擊運動功能，導致運動和協調等方面的持久損害。

研究這種疾病的主要原因的科學家們將重點放在這種稱為富含亮氨酸重復激酶2（leucine-rich repeat kinase 2, LRRK2）的蛋白的突變上。由于缺乏有關這種蛋白結構的信息，理解LRRK2如何破壞正常功能一直很困難。鑒于LRRK2是一個主要的藥物靶點，破譯LRRK2結構的努力甚至包括將樣品發射到太空，以此利用微重力條件幫助蛋白樣品結晶，但沒有取得成功。

如今，來自美國加州大學圣地亞哥分校等研究機構的研究人員利用前沿的技術構建出LRRK2在它的自然細胞環境內的首批可視化圖，以及這種蛋白的第一張高分辨率藍圖。他們利用這些圖來描述LRRK2如何與稱為微管的細胞軌道結合，并作為沿著這些軌道移動的分子馬達的路障起作用。相關研究結果以兩篇論文的形式分別于2020年8月19日和2020年8月11日在線發表在Nature期刊和Cell期刊上，論文標題分別為“Structure of LRRK2 in Parkinson’s disease and model for microtubule interaction”和“The In Situ Structure of Parkinson’s Disease-Linked LRRK2”。

LRRK2在它的自然細胞環境內的首批可視化圖
圖片來自Reck-Peterson and Leschziner Labs, UC San Diego。

加州大學圣地亞哥分校生物科學院長Kit Pogliano博士說，“考慮到帕金森病影響了許多人的生活，這兩篇論文朝著開發更有效的帕金森病治療方法邁出了巨大的一步。將低溫電鏡（cryo-EM）與活細胞成像相結合，這些研究人員可以觀察到這種蛋白在細胞內的作用機制，并更迅速地確定潛在的藥物如何影響它的功能。這將加速藥物發現，并為患有這種衰弱疾病的人提供新的希望。”

作為一種激酶，LRRK2是將磷酸化學標簽添加到其他蛋白上，影響它們的功能。LRRK2突變是遺傳性帕金森病的主要原因，但是科學家們并不完全了解這種酶在正常或疾病狀態下的功能。

人們一直在大力尋求此類問題的答案，特別是因為激酶是最成熟的藥物治療靶點之一。自2004年LRRK2基因首次被克隆以來，人們已經投入了巨大的努力，將它作為帕金森病的治療靶點。

世界著名的激酶權威Susan Taylor認識到，加州大學圣地亞哥分校的專業知識非常適合解決這一問題。在邁克爾-福克斯基金會的支持下，一個包括加州大學圣地亞哥分校研究人員在內的國際團隊開始利用新技術研究LRRK2。

正如這篇Cell論文中所描述的那樣，由Elizabeth Villa博士及其同事領導的加州大學圣地亞哥分校研究人員利用稱為低溫電子斷層掃描（cryo-electron tomography, cryo-ET）的新突破性技術，即低溫電鏡（cryo-EM）的一種新模式，來觀察在細胞內自然環境下的LRRK2，并在以前未觀察到的水平上描述它的結構。

在許多情況下，當人們試圖確定一種蛋白的結構時，他們首先要在細胞外分離這種蛋白。當使用cryo-EM時，科學家們將蛋白分子冷凍在薄薄的冰層中，保存它的結構，并在高分辨率下確定它的結構。而Villa的研究團隊則對含有被研究蛋白分子的冷凍細胞進行成像，從不同角度拍照，有點像CAT掃描。

Villa說，“我們打開引擎蓋，觀察細胞內部在細胞的不同位置相互作用的冷凍分子。我們使用電子和離子束，就像一把光劍一樣，將細胞的部分區域轟開。在中間我們留下了一個窗口，里面有我們有興趣觀察的蛋白分子。”

這些研究人員還使用光學顯微鏡來尋找細胞內的蛋白分子，并使用先進的計算建模工具來開發LRRK2突變體的高分辨率綜合模型。他們的數據揭示了LRRK2與稱為微管的細胞高速公路的結合，以令人驚訝的規則和意想不到的幾何形狀裝飾微管，并預測LRRK2的激酶活性類似于帕金森病中已知的“超速”狀態。

Villa說，“這種強大的新技術組合在這項研究中首次應用，并使得我們有可能首次觀察到LRRK2突變體的結構，另外還得益于它的細胞環境。據我們所知，這是使用傳統生化工具之前在細胞內測定的人類蛋白的最高分辨率結構。我們正在將結構帶入細胞生物學。”

為了了解LRRK2如何在化學水平上工作，并設計治療方法，需要更高的分辨率結構來揭示原子的位置以及它們如何與潛在的藥物相互作用。在這篇Nature論文中，論文通訊作者Samara Reck-Peterson博士和Andres Leschziner博士更深入地研究了LRRK2的結構和功能，并與Villa團隊合作確定了LRRK2如何與微管相互作用。 Leschziner團隊利用cryo-EM，在原子水平下捕捉到了迄今為止LRRK2結構最詳細的圖片。德國法蘭克福歌德大學教授Stefan Knapp和他的團隊在決定如何讓LRRK2易于進行結構研究時也發揮了重要作用。這種結果包括這種蛋白的業務端--包括利用磷酸基團標記其他蛋白的部分。在這種結構中發現了所有主要帕金森病致病突變的位置。 接下來，Leschziner團隊將他們的結構與Villa的結構結合起來，并提出一種解釋LRRK2如何與微管結合的模型。 Leschziner說，“你可以認為LRRK2的激酶部分有點像吃豆人，它可以是開放的，也可以是封閉的。我們的建模表明，當與微管結合時，這種激酶需要處于封閉狀態，這表明這種激酶的形狀可能會調節LRRK2與微管的結合。與Reck-Peterson實驗室合作，我們決定直接測試這種模型。”

Reck-Peterson擅長研究微管。她和她的團隊對沿微管運輸貨物的分子馬達感興趣，以及這種運輸的缺陷如何導致人類神經發育和神經退行性疾病。Reck-Peterson和她的團隊想知道LRRK2與微管的相互作用是否會對在微管上移動并將重要的貨物運送到細胞中的分子機器造成損害。

她的團隊發現，LRRK2會制造路障，阻止這些分子機器的運轉。他們還表明，一些靶向LRRK2激酶的藥物會增強這種效果，而其他藥物則會減弱這種效果。雖然Leschziner和Reck-Peterson還不能確定這些路障是否在帕金森病中發揮作用，但是他們的發現已經對設計通過抑制LRRK2發揮作用的治療性藥物產生了影響。他們的研究指出關閉LRRK2激酶結構域的激酶抑制劑可能會導致阻斷分子馬達移動的有害影響。

Reck-Peterson說，“目前還不清楚LRRK2-微管結合在帕金森病中發揮何種作用。但是我們如今擁有的是細胞藍圖和分子藍圖，這才是弄清LRRK2的作用并微調針對LRRK2的治療性藥物所需要的。”

1. C. K. Deniston et al. Structure of LRRK2 in Parkinson’s disease and model for microtubule interaction. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2673-2.

2. Reika Watanabe et al. The In Situ Structure of Parkinson’s Disease-Linked LRRK2. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.08.004.

3. Leading-edge Technology Unmasks Protein Linked to Parkinson’s Disease https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/leading-edge-technology-unmasks-protein-linked-to-parkinsons-disease