生命科學學院張哲/楊競課題組共同揭示NAD+介導的神經(jīng)細胞“殺手”Sarm1蛋白的活性調(diào)節(jié)機制

病理性軸突退行（Pathological axonal degeneration）是神經(jīng)系統(tǒng)疾病中常見的一種病理變化，表現(xiàn)為軸突腫脹、碎裂和萎縮等。軸突退行能夠進一步導致神經(jīng)細胞胞體的死亡和退化，從而與各種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生密切相關，比如，阿爾茲海默癥、帕金森癥等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，以及化療和糖尿病引起的外周神經(jīng)損傷等。

軸突退行是一種特殊的程序性細胞死亡過程，不同于經(jīng)典的細胞凋亡（Apoptosis）、焦亡（Proptosis）和壞死（Necroptosis）等。目前的研究顯示，NAD+（Nicotinamide adenine dinucleotide）對于維持軸突的存活至關重要。相應地，兩種與NAD+代謝相關的蛋白酶對該過程起到了關鍵的調(diào)控作用。其中，NMNAT（Nicotinamide nucleotide adenylyltransferase）蛋白通過合成NAD+起到保護軸突的作用；相反，Sarm1（Sterile alpha and Toll/interleukin-1 receptor motif-containing protein 1）蛋白則通過降解NAD+促進軸突的退行。Sarm1蛋白在軸突退行中的核心地位使得它成為了針對神經(jīng)退行性疾病藥物研發(fā)的重要靶點。如果能夠有效地抑制其活性，將有望抑制各種神經(jīng)退行性病變的發(fā)生和發(fā)展。但是，目前為止，人們對于Sarm1蛋白如何在健康的神經(jīng)細胞中活性被抑制，而只有在神經(jīng)損傷和病理條件下才會被激活的分子機制還沒有充分的了解，這極大地限制了藥物研發(fā)的進程。

2020年10月14日，北京大學生命科學學院張哲和楊競課題組合作在Nature雜志上發(fā)表了題為“The NAD+-mediated self-inhibition mechanism of pro-neurodegenerative Sarm1”的文章，揭示了NAD+介導的Sarm1蛋白的活性調(diào)節(jié)機制。該文章首先使用冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）解析了Sarm1全長蛋白分辨率為2.6?的結(jié)構。結(jié)構顯示，Sarm1蛋白自身以環(huán)狀的八聚體形式存在，ARM結(jié)構域（Sarm1ARM）通過與TIR結(jié)構域（Sarm1TIR）的相互作用抑制了Sarm1TIR水解NAD+的活性。利用這種方式，Sarm1蛋白維持了自身在健康神經(jīng)元中的活性抑制狀態(tài)。更重要的是，作者通過對全長Sarm1蛋白降解NAD+活性的動力學分析發(fā)現(xiàn)，高濃度的NAD+對Sarm1的活性具有抑制作用，由此顯示該蛋白中除了Sarm1TIR的NAD+底物結(jié)合位點外，還應該存在一個NAD+的別構調(diào)節(jié)位點，NAD+通過這種方式對Sarm1蛋白的水解酶活性發(fā)揮負調(diào)節(jié)作用。于是，作者進一步解析了Sarm1蛋白與NAD+復合物的冷凍電鏡結(jié)構，在Sarm1ARM中成功發(fā)現(xiàn)了這個全新的NAD+結(jié)合位點。接下來，通過生物化學和神經(jīng)生物學等實驗，作者對這個重要的NAD+別構調(diào)節(jié)位點進行了驗證，同時揭示了其對于Sarm1蛋白NAD+水解活性以及軸突退行的關鍵抑制作用。

由此，作者提出了Sarm1蛋白活性調(diào)節(jié)的分子機制：在健康的神經(jīng)細胞中，高濃度的NAD+（約500 μM）結(jié)合并穩(wěn)定了Sarm1ARM的結(jié)構，使其能夠與Sarm1TIR相互作用，進而抑制Sarm1TIR的NAD+水解活性；物理性損傷或病理性刺激能夠一定程度上降低軸突內(nèi)的NAD+水平，使得Sarm1ARM中結(jié)合的NAD+解離，這樣便削弱了該結(jié)構域結(jié)構的穩(wěn)定性及其與Sarm1TIR的結(jié)合能力，從而釋放了Sarm1TIR的NAD+水解活性，由此引發(fā)NAD+的迅速降解。這種NAD+的急劇損失影響了細胞的能量代謝等多種生物學過程，最終導致了軸突的死亡和進一步的神經(jīng)退行。

NAD+介導的Sarm1蛋白的活性調(diào)節(jié)機制

這項工作不但闡明了NAD+對于Sarm1蛋白功能調(diào)控的分子機制，而且更為針對Sarm1蛋白開展的藥物研發(fā)提供了一個全新和精準的靶點。能夠模擬NAD+結(jié)合并穩(wěn)定Sarm1ARM結(jié)構的小分子化合物將有望被用于神經(jīng)損傷及神經(jīng)退行性疾病的治療。

北京大學生命科學學院張哲研究員和楊競研究員為該文章的共同通訊作者，張哲實驗室的科研助理蔣玥鳳為該論文的第一作者，楊競實驗室的劉婷婷博士、美國St. Jude Children's Research Hospital的Chia-Hsueh Lee研究員和清華大學結(jié)構生物學高精尖創(chuàng)新中心的常卿博士也為該工作作出了重要的貢獻。該課題得到北京大學生命科學學院、生命科學聯(lián)合中心、膜生物學國家重點實驗室和國家自然科學基金委員會的項目資助；并依托北京大學冷凍電鏡平臺、高性能計算中心和生命科學學院公共儀器中心鳳凰工程蛋白質(zhì)平臺的技術支持。

相關知識

藥學院王戈林和唐葉峰團隊研發(fā)具有神經(jīng)保護作用的NAD生物合成酶小分子激動劑
Cell Metabolism: NAD+代謝之概念演進
清華大學生命學院時松海課題組報道細胞代謝調(diào)控大腦新皮層發(fā)育的新機制
清華藥學院陳立功課題組揭示脂肪酸和膽固醇通路互作在肝細胞癌發(fā)生中的重要代謝調(diào)控機制
華中科技大學揭示糖原代謝調(diào)控炎性巨噬細胞機制
Nature子刊：甘振繼/邵孟樂團隊發(fā)現(xiàn)線粒體蛋白水解重排調(diào)控細胞命運轉(zhuǎn)變新機制
廣州健康院揭示靜磁場調(diào)控間充質(zhì)干細胞增殖的信號傳導機制
附屬同濟醫(yī)院楊長青團隊：單細胞多組學聯(lián)合活體顯微成像 揭示藥物性肝損傷進程中的免疫代謝景觀
久餓致命，稍餓抗病——我院楊嘉龍團隊揭示了饑餓雙向調(diào)控魚類T細胞免疫的機制
南京農(nóng)業(yè)大學熊波課題組揭示哺乳動物卵母細胞減數(shù)分裂成熟新機制

網(wǎng)址: 生命科學學院張哲/楊競課題組共同揭示NAD+介導的神經(jīng)細胞“殺手”Sarm1蛋白的活性調(diào)節(jié)機制 http://www.gysdgmq.cn/newsview1449868.html