冯巍研究组和清华大学欧光朔研究组合作发现黄酮类化合物可以挽救驱动蛋白的致病突

展源 2024-01-31

轴突运输是指在神经元轴突内部进行的物质运输过程。这一过程涉及细胞器、蛋白质、RNA和其他分子的定向移动，确保这些物质在神经元不同部位之间的传递和交换。轴突的货物运输依赖于微管轨道和分子马达蛋白。神经元内部的微管网络提供重要的通路，使得细胞器、蛋白质和其他分子能够在神经元各部位之间进行有序运输。分子马达介导的轴突运输确保神经元内部物质的正确分配和交换，对于维持神经元结构的稳定性、突触功能维持、神经元发育以及神经信号传导都至关重要。

KIF1A是参与神经元轴突内物质运输的主要分子马达蛋白。作为驱动蛋白，KIF1A承担神经元信息传递的突触小泡等货物的轴突运输。KIF1A的功能对神经元的发育、维持和正常功能至关重要。KIF1A的突变会导致轴突运输受损，进而引发神经系统疾病或神经发育障碍，目前把这类神经系统疾病统称为KAND (KIF1A-associated neurological disorder)。KAND的症状通常出现在婴儿出生时或儿童早期，严重程度不同，并可能导致在五岁以内死亡。临床研究从神经系统先天性疾病以及遗传性痉挛性截瘫等KAND患者中鉴定出100多个KIF1A的错义突变，但目前对这些突变的有效干预和治疗方法却知之甚少。

2024年1月25日，中国科学院生物物理研究所冯巍研究组与清华大学欧光朔研究组合作在《PNAS》上发表了题为"A Plant Flavonol and Genetic Suppressors Rescue a Pathogenic Mutation Associated with Kinesin in Neurons"的文章。该研究报导了一种名为非瑟酮的黄酮醇类化合物，可以挽救KAND的致病突变，展示其在减轻KAND症状方面有潜在的治疗作用。

在该研究中，主要着眼于KAND相关R11Q致病突变。结构分析显示，该突变位于KIF1A马达结构域的ATP结合口袋附近，可能导致KIF1A的ATP结合能力发生缺陷。首先将R11Q突变引入线虫同源基因UNC-104中，结果显示突变体线虫表现出行为不协调。接着对这一突变体线虫进行遗传筛选，最终分离出20种突变可以纠正KIF1A(R11Q)突变引起的线虫行为学缺陷。体外实验表明，其中两个突变能够在一定程度上弥补R11Q导致的ATP结合口袋缺陷，并在一定程度上恢复KIF1A的运动活性。基于这一发现，进一步探究是否存在一种小分子也具有类似的挽救作用。通过筛选已知能够改善神经系统健康的保健品，发现在线虫食物中补充一种植物黄酮醇-非瑟酮（fisetin），可以改善KIF1A(R11Q)突变线虫在运动和形态方面的缺陷。体外生化和单分子运动实验表明，非瑟酮可以直接挽救人源KIF1A(R11Q)蛋白的ATP酶活性和持续运动能力，而对野生型KIF1A没有影响。这些发现暗示，在生化和模式生物层面上有多种策略可用于挽救KIF1A(R11Q)等神经致病缺陷，并提供治疗该疾病的新思路，其中小分子非瑟酮的干预，有助于增强KIF1A致病突变体的活性，从而可能改善KAND相关疾病症状。

图1：非瑟酮（Fisetin）模拟对接在KIF1A马达结构域(R11Q)突变体ATP结合口袋中的结构模型

中国科学院生物物理研究所冯巍研究员和清华大学生命科学学院欧光朔教授、柴咏平博士为文章的共同通讯作者，清华大学生命科学学院柴咏平博士和中国科学院生物物理研究所博士生李冬为共同第一作者。中国科学院生物物理研究所宫维斌副研究员在分子模拟对接方面给予很大的帮助。该研究工作得到清华-北大生命科学联合中心、膜生物学国家重点、科技部、国家自然科学基金委的相关资助。

文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2311936121

内容来源：Bioon细胞

责任编辑：展源

审　　核：何发

冯巍研究组和清华大学欧光朔研究组合作发现黄酮类化合物可以挽救驱动蛋白的致病突

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