阿尔茨海默病是一种常见的神经退行性疾病。据世卫组织统计，目前世界范围有超 5500 名患者，预计到 2050 年患者数量可能增加到 1.4 亿人，然而现阶段临床方面依然没有特效药物。针对其发病机制，医学界公认的有 tau 蛋白假说和 β-淀粉样蛋白假说，均与体内蛋白质异常有关。因此，探索蛋白质作用机制有望为阿尔茨海默病等疾病的治疗提供新策略。

作为体内***重要的生物大分子，蛋白质是由不同氨基酸首尾相连缩合而成的多聚体。每种蛋白质均有自身独特的三维空间结构（蛋白质构象），这也是蛋白质发挥生物学功能的基础。在分子水平解析蛋白质作用机制需要测定其三维空间结构，常用的分析手段包括 X 射线晶体学、核磁共振以及冷冻电镜等技术。

近日，来自哥伦比亚大学、纽约大学格罗斯曼医学院、杜克大学医学中心的研究人员组成的联合团队，通过冷冻电子显微镜解析了一种关键蛋白 LRP2 的三维结构，并揭示了该蛋白作为一种“分子机器”能够在细胞膜表面结合配体并在核内体中脱落配体，为蛋白相关疾病的治疗提供新见解。目前，这项研究已经以“Structures of LRP2 reveal a molecular machine for endocytosis”（LRP2 的结构揭示了内吞作用的分子机制）为题发表在 Cell 期刊上。

“我们的这项发现为进一步研究低密度脂蛋白受体的功能和机制提供了理论基础，相信随着对这种关键蛋白质的新机制的理解，以及探索如何阻断其突变，将有望发现治疗肾脏和大脑疾病的新靶点。”该论文共同通讯作者、哥伦比亚大学瓦格洛斯医师学院病理学和细胞生物学教授 Jonathan Barasch 博士表示。

Jonathan Barasch 博士是泌尿科和肾脏科临床医生，除了在哥伦比亚大学担任教授，他还是哥伦比亚长老会医疗中心的住院医师以及哥伦比亚大学欧文医学中心的研究员，现阶段他的研究方向包括肾功能衰竭和肾脏病理学等领域。

研究：采用冷冻电镜解析蛋白质三维结构

在 Jonathan Barasch 看来，高分辨率的蛋白质结构解析将为很多疾病的发病机制和治疗方法提供新的线索，比如急性肾损伤、慢性肾病、阿尔茨海默病，以及一种名为“Donnai-Barrow”综合征的具有多种身体和认知后果的罕见遗传性疾病。而此次他和团队的这项研究将目光锁定在一种名为“LRP2”的蛋白质。

LRP2 蛋白：低密度脂蛋白受体相关蛋白 2（LRP2），是一种细胞表面蛋白，属于内吞性受体并在内吞作用中发挥作用，先前的研究发现其与肾脏和大脑疾病存在密切关联。

作为 LRP 蛋白家族的一个重要成员，LRP2 存在于从蠕虫到人类的各种生物体内。其***早发现于上世纪 80 年代初期。相较于细胞膜上的大多数蛋白质，LRP 非常庞大，因此又被称为“巨蛋白”。

在肾脏内，肾细胞从体液中过滤后的代谢废物中回收可重复使用的分子，LRP2 蛋白在这个过程中发挥至关重要的作用，每个肾细胞表面拥有数以万计的 LRP2 蛋白，类似于分布在草莓表面的种子一样。“肾脏需要过滤和回收来自身体代谢产生的大约 99% 的盐分和水分，以及回收 100% 的小分子蛋白质，否则这些蛋白质会进入尿液并排出体外。” Jonathan Barasch 说道。

然而，想要解析 LRP2 蛋白并不是一件容易的事情，先前的研究发现包括 LRP2 在内的 LRP 家族的这类膜蛋白难以分离，而想要详细绘制其三维结构更是困难重重。

对此，该论文的***作者、哥伦比亚大学瓦格洛斯医师学院生物化学和肾病学教授 Andrew Beenken 博士通过一系列生化技术克服了这一挑战。他和团队从 500 个小鼠肾脏中获取了足够多的 LRP2 蛋白，然后将蛋白质固化成足够大小和纯度的样本，以便借助显微镜技术进行解析。

“起初，我认为这是不可能实现的。”该论文共同通讯作者、哥伦比亚大学祖克曼心脑行为研究所研究员、瓦格洛斯医师学院教授 Lawrence Shapiro 博士说道，“我主要从事蛋白质的复杂结构如何产生其生物学功能方面的研究，而我们的这项研究将是探索 LRP2 蛋白分子的作用机制的关键步骤。”

值得一提的是，在 LRP2 的收集过程中，他们捕获并锁定了 LRP2 蛋白分子的两个关键构象 。“这种细微结构是揭示该蛋白分子在细胞中发挥作用的重要细节。”Andrew Beenken 指出。

有了样品，采用何种工具进行分析成为关键。该论文共同通讯作者、哥伦比亚大学祖克曼心脑行为研究所研究员、瓦格洛斯医师学院教授 Anthony Fitzpatrick 博士专注于低温电子显微镜（Cryo-EM）领域，在他看来，“Cryo-EM 特别适合研究大型蛋白质以及各种生物分子。”

▲图｜基于冷冻电子显微镜解析的 LRP2 蛋白构象

在这项研究中，他们基于从小鼠中获得的 LRP2 蛋白分子样本、借助液氮冷却的低温电子显微镜采集了大量的结构数据。随后，他们通过强大的计算工具对这些数据进行解析，***终生成了接近原子细节的三维蛋白质结构。

“我们获得了有史以来***为详细和清晰的 LRP2 蛋白三维结构图谱。”Lawrence Shapiro 说道，“基于这些三维结构图谱，我们接下来就可以开始梳理和分析 LRP2 蛋白在细胞中发挥作用的独特机制。”他补充说。

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