当前位置 : X-MOL首页行业资讯 › 手性选择的化学调控淀粉样蛋白的聚集

手性选择的化学调控淀粉样蛋白的聚集

阿尔兹海默症(Alzheimer's disease,AD)俗称老年痴呆,是老年人群中最常见的慢性神经退行性疾病。其早期临床表现为记忆障碍,随着病情的发展,患者继而出现语言障碍、情绪紊乱、运动障碍、视空间技能损害甚至人格和行为改变等神经精神症状,严重影响社交、职业与生活,并使身体机能逐渐丧失,最终导致死亡。截止到2016年底,全世界大概有4700万人遭受着AD的困扰,其中我国的患者数量已经突破了1500万,绝对数量居于世界首位。同时这些患者中绝大多数是大于65岁的老年人,这就使得AD患者已经成为社会和家庭的严重负担。据世界卫生组织的统计数据表明,全球目前用于照顾AD患者的费用已经高于心血管病、癌症和脑中风这三种疾病的总和。因此,寻找这个疾病的治疗手段已经刻不容缓。


到目前为止,AD的确切发病机制还没有完全研究清楚,研究人员为此也提出了多种致病机理假说。其中β-淀粉样蛋白级联假说(amyloid cascade hypothesis)占据主流地位,因为AD的重要病理特征是患者脑内细胞外的老年斑沉积(senile plaques, SP),而SP中的主要成分是Aβ,因此多数学者认为Aβ的过量表达及其聚集沉积形成老年斑是AD病理的中心环节,可以引发其它一系列病理过程,而其他的病理过程反过来又会加速Aβ的沉积,造成了一种恶性的循环,加重了AD病情的发展。由此可知,抑制Aβ的聚集是预防和治疗AD的重要策略,具有很好的预防和治疗的前景。


Aβ的神经毒性与其聚集状态直接相关。一般认为,在正常生理状态下,Aβ单体是没有毒性的。然而,当Aβ单体形成具有β-折叠结构的聚集体时,其对神经元有明显的毒性作用,且不同形态和结构的聚集体的毒性是不同的。近期研究发现,Aβ寡聚体的毒性比成熟纤维的毒性要大,是最主要的毒性物种,能够快速引起神经元死亡。既然Aβ的神经毒性与其聚集状态直接相关,那么抑制Aβ的聚集就成为了治疗AD的重要手段,目前也受到最广泛的关注。


然而目前对于抑制剂的设计,大多没有考虑到手性的问题。手性在自然界中是广泛存在的,在生物体内具有明显的偏好性和严格的选择性。例如,在DNA的形成过程中只会利用D型的糖分子,而蛋白质基本上都是由L-氨基酸构成的,这些手性分子单元既可以决定生物分子的构象,也可以决定生物分子的生物学功能。而对于像淀粉样蛋白这样的大分子聚集体系而言,一般总是包含了四级手性结构。第一级手性结构是由立体中心(也称为“手性中心”)构成的,最常见的例子就是我们所熟知的手性碳结构,因此第一级手性结构也称为“构型手性”;第二级手性结构是由分子构象的不同影响产生的,也称为“构象手性”;第三级手性结构与单晶或螺旋单体的相结构有关,因此也称为“相手性”;最后,螺旋的单结构域的聚集构造成了宏观的手性物体,这就是第四级手性结构,也称为“物体手性”。


更重要的是,AD的致病蛋白Aβ纤维也包含了上述所有等级的手性结构(在“相手性”结构层面上,Aβ纤维会特异性地形成左手旋螺结构),因此,在设计Aβ靶向抑制剂时,手性一直是选择性的关键问题之一。一方面,手性可以提高抑制剂对手性生物目标的对映选择性和特异性。另一方面,从药物设计的角度上看,手性也是近年来越来越受到关注的问题,因为许多药物分子都是手性的,在大多数情况下,只有一种对映体具有药物活性,而另一种对映体则是非活性、甚至会产生严重的生物副作用。因此,手性识别对抑制Aβ聚集起着至关重要的作用。


多聚金属氧酸盐(POM)为例,说明如何用手性选择化学的方法来调节Aβ聚集。之前的报道显示了POM具有多种生物活性,包括抗菌、抗病毒和抗癌活性,因此其作为生物医学药物显示出巨大的潜力。然而,POM与生物分子的相互作用主要依赖于良好的静电吸引和尺寸效应,这些效应很强,但不具有特异性,也没有特定的手性识别。因此,基于近年来发展的POM表面修饰技术,可以实现降低POM的毒副作用、增强特异性识别的效果。


中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚点击查看介绍课题组之前的工作显示,POMS可以通过结合Aβ上的阳离子簇(13位的组氨酸到16位的赖氨酸,HHQK)来抑制Aβ的聚集,同时这个阳离子簇也位于Aβ的13-23区域(HHQKLVFFAED)组成的α/β不一致区域中。该区域在正常情况下形成α-螺旋的结构,在Aβ聚集过程中该区域被预测形成β-片层结构,从而加速了Aβ的聚集。由于α-螺旋和β片层结构的都具备了复合手性结构,因此Aβ也对手性环境很敏感,Aβ链的定向和手性环境将强烈影响影响Aβ的聚集过程。最近,该课题组在Aβ13-23区域氨基酸序列的基础上,对POM进行了合理的设计和合成,得到了手性POM衍生物,这些POM能够特异性的结合到Aβ13−23段,并且在抑制Aβ聚集方面具有很强的手性选择性。该设计基于以下原因:(1)POMS与阳离子团簇HHQK结合;(2)之前的报道显示Aβ上的Leu 17和Val 18(L17V18)序列能够与烃链相互作用;(3)Aβ上接下来的序列由两个相邻的苯丙氨酸残基(F19F20)组成,形成了一个强疏水区,能够通过疏水作用与其他疏水氨基酸发生特异性的相互作用。因此,F19F20位点可用于POM的设计和改进。然而,目前尚不清楚哪种氨基酸能显示出最好的效果。此外,基于Aβ的手性敏感性,POM上修饰的氨基酸的手性选择也是至关重要的。因此,他们合成了一系列手性氨基酸功能化的POM衍生物,包括带正电的氨基酸(D-His和L-His)、带负电的氨基酸(D-Glu和L-Glu)和疏水性氨基酸(D-Leu、L-Leu、D-Phe和L-Phe),随后对所有手性POM衍生物与Aβ的结合亲和力和对映选择性进行筛选。


筛选结果显示,所有的手性POM衍生物都可以结合在Aβ的13-20位区域(HHQKLVFF),且在修饰的四种氨基酸中,修饰了苯丙氨酸的衍生物POM-Phe与Aβ之间的相互作用是最强的,同时修饰了D-型苯丙氨酸的衍生物POM-D-Phe与Aβ之间的结合力又比修饰了L-型苯丙氨酸的衍生物POM-L-Phe强7.8倍,证实了作者之前的设计是正确的。为了更好地理解这两种手性抑制剂与Aβ1-40单体的相互作用差异,作者进行了分子动力学模拟。模拟的结果显示了两个结果,首先,与POM-L-Phe相比,POM-D-Phe与Aβ之间形成了两个额外的氢键,分别位于Ser 8和His 13处。对于Ser 8,POM-D-Phe中的烃链要更加接近Ser 8的羟基,从而形成氢键;相反,由于POM-L-Phe中的烃链远离Ser 8的羟基,因此不能形成氢键(图1c)。在His 13位点也可以观察到类似的情况。此外,POM-D-Phe中的苯丙氨酸残基也更接近Aβ1-40中的两个疏水氨基酸残基(Phe 4和Phe 19),这进一步增强了它们之间的疏水相互作用和π-π堆积作用。因此,基于上述实验数据和模拟结果,可以更好地理解POM-L-Phe和POM-D-Phe的结合机理和产生手性差异的原理。


在Aβ的各个聚集形态中,寡聚体、原纤维和纤维都存在着β-片层结构,这种结构导致了Aβ的聚集及其神经毒性。由于POM-L-Phe和POM-D-Phe与Aβ之间存在着强烈的结合能力,因此它们可以稳定Aβ单体,防止向β-片层结构转变,从而实现高效抑制Aβ聚集的效果。为了验证上述设想,作者开展了CD、ThT、IC50等实验,实验结果也证实了POM-L-Phe和POM-D-Phe可以高效抑制Aβ中β-片层结构的形成,从而抑制了Aβ的聚集,并降低了Aβ产生的细胞毒性。目前,开发AD治疗药物的一个主要障碍是大多数小分子或肽很难穿过血脑屏障(BBB)。因此,作者利用活体实验同样证明了POM-D-Phe是可以透过BBB,并且在随后的时间里是会被完全代谢出体外的。体内也研究表明,POM-L-Phe和POM-D-Phe能够显著延长了常用的AD转基因秀丽隐杆线虫CL2006的寿命。


上述工作为发展AD治疗试剂、手性调控生物分子功能提供了新的思路。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Chirality-Selected Chemical Modulation of Amyloid Aggregation

Nan Gao, Zhi Du, Yijia Guan, Kai Dong, Jinsong Ren, Xiaogang Qu

J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 6915-6921, DOI: 10.1021/jacs.8b12537


导师介绍

曲晓刚

https://www.x-mol.com/university/faculty/15810


如果篇首注明了授权来源,任何转载需获得来源方的许可!如果篇首未特别注明出处,本文版权属于 X-MOLx-mol.com ), 未经许可,谢绝转载!

英语语言编辑翻译加编辑
开学季购书享好礼新
有奖问卷征集新
材料学领域约200份+SCI期刊
定位全球科研英才
中国图象图形学学会合作刊
东北石油大学合作期刊
动物源性食品遗传学与育种
专业英语编辑服务
上海交大
北京大学
西湖大学
多次发布---上海中医药
中科大
杜克大学
复旦大学
中科大
新加坡
南科大
ACS材料视界
down
wechat
bug