病理性軸突退行（Pathological axonal degeneration）是神經(jīng)系統(tǒng)疾病中常見(jiàn)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(jìn)一步導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)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(guān)，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(xì)胞死亡過(guò)程，不同于經(jīng)典的細(xì)胞凋亡（Apoptosis）、焦亡（Proptosis）和壞死（Necroptosis）等。目前的研究顯示，NAD+⁺（Nicotinamide adenine dinucleotide）對(duì)于維持軸突的存活至關(guān)重要。相應(yīng)地，兩種與NAD+⁺代謝相關(guān)的蛋白酶對(duì)該過(guò)程起到了關(guān)鍵的調(diào)控作用。其中，NMNAT（Nicotinamide nucleotide adenylyltransferase）蛋白通過(guò)合成NAD+⁺起到保護(hù)軸突的作用；相反，Sarm1（Sterile alpha and Toll/interleukin-1 receptor motif-containing protein 1）蛋白則通過(guò)降解NAD+⁺促進(jìn)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(duì)神經(jīng)退行性疾病藥物研發(fā)的重要靶點(diǎn)。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(duì)于Sarm1蛋白如何在健康的神經(jīng)細(xì)胞中活性被抑制，而只有在神經(jīng)損傷和病理?xiàng)l件下才會(huì)被激活的分子機(jī)制還沒(méi)有充分的了解，這極大地限制了藥物研發(fā)的進(jìn)程。

2020年10月14日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張哲和楊競(jìng)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(dǎo)的Sarm1蛋白的活性調(diào)節(jié)機(jī)制。該文章首先使用冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）解析了Sarm1全長(zhǎng)蛋白分辨率為2.6?的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)顯示，Sarm1蛋白自身以環(huán)狀的八聚體形式存在，ARM結(jié)構(gòu)域（Sarm1ARM）通過(guò)與TIR結(jié)構(gòu)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(guò)對(duì)全長(zhǎng)Sarm1蛋白降解NAD⁺活性的動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，高濃度的NAD⁺對(duì)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(diǎn)外，還應(yīng)該存在一個(gè)NAD⁺的別構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)，NAD⁺通過(guò)這種方式對(duì)Sarm1蛋白的水解酶活性發(fā)揮負(fù)調(diào)節(jié)作用。于是，作者進(jìn)一步解析了Sarm1蛋白與NAD⁺復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，在Sarm1ARM中成功發(fā)現(xiàn)了這個(gè)全新的NAD⁺結(jié)合位點(diǎn)。接下來(lái)，通過(guò)生物化學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)等實(shí)驗(yàn)，作者對(duì)這個(gè)重要的NAD⁺別構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)揭示了其對(duì)于Sarm1蛋白NAD⁺水解活性以及軸突退行的關(guān)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(jī)制：在健康的神經(jīng)細(xì)胞中，高濃度的NAD⁺（約500μM）結(jié)合并穩(wěn)定了Sarm1ARM的結(jié)構(gòu)，使其能夠與Sarm1TIR相互作用，進(jìn)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(gòu)域結(jié)構(gòu)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(xì)胞的能量代謝等多種生物學(xué)過(guò)程，最終導(dǎo)致了軸突的死亡和進(jìn)一步的神經(jīng)退行。

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NAD⁺介導(dǎo)的Sarm1蛋白的活性調(diào)節(jié)機(jī)制

這項(xiàng)工作不但闡明了NAD⁺對(duì)于Sarm1蛋白功能調(diào)控的分子機(jī)制，而且更為針對(duì)Sarm1蛋白開(kāi)展的藥物研發(fā)提供了一個(gè)全新和精準(zhǔn)的靶點(diǎn)。能夠模擬NAD⁺結(jié)合并穩(wěn)定Sarm1ARM結(jié)構(gòu)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(xué)生命科學(xué)學(xué)院張哲研究員和楊競(jìng)研究員為該文章的共同通訊作者，張哲實(shí)驗(yàn)室的科研助理蔣玥鳳為該論文的第一作者，楊競(jìng)實(shí)驗(yàn)室的劉婷婷博士、美國(guó)St. Jude Children’s Research Hospital的Chia-Hsueh Lee研究員和清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)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(xiàn)。該課題得到北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、生命科學(xué)聯(lián)合中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的項(xiàng)目資助；并依托北京大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、高性能計(jì)算中心和生命科學(xué)學(xué)院公共儀器中心鳳凰工程蛋白質(zhì)平臺(tái)的技術(shù)支持。

來(lái)源：北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院