帕金森氏症是一种神经系统疾病，影响了全世界数以百万计的人，它会逐渐攻击人的运动功能，导致运动和协调等方面的持久损害。而一种难以捉摸的蛋白质，许多人认为这是全面了解遗传性帕金森病病因的关键，现在它已经变得更加清晰。

研究人员利用最先进的技术最终揭示了细胞内LRRK2酶的结构。首先，他们用荧光蛋白找到它，然后用一束离子束划出含有LRRK2丝的区域，并用低温电子断层扫描成像。最后，他们对数据进行计算分析，以建立蛋白质的高细节模型。

寻找该疾病主要原因的研究人员把注意力集中在一种叫做富含亮氨酸的重复激酶2（LRRK2）的蛋白质突变上。由于缺乏蛋白质结构的信息，很难理解LRRK2是如何干扰正常功能的。由于LRRK2是一个主要的药物靶标，破译LRRK2结构的努力甚至包括将样本送入太空，作为利用微重力条件帮助蛋白质样本结晶的一种方法，但没有成功。

最近加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的科学家们利用先进的技术，在其自然细胞环境中制作了第一个LRRK2的可视化图像，以及第一个蛋白质的高分辨率蓝图。他们利用这些描述来描述LRRK2是如何与被称为微管的细胞轨道结合的，并对沿着这些轨道运动的发动机起到阻碍作用。这一研究发现的两篇论文已分别发表在《细胞》和《自然》杂志上。

“这两篇论文朝着开发更有效的治疗帕金森病的方向迈出了巨大的一步，帕金森氏症影响了很多人的生命，” UCSD生物科学部院长，分子生物学的教授Kit Pogliano博士说。结合冷冻电子显微镜和活细胞成像技术，研究人员可以看到细胞内的蛋白质，并更快地确定潜在药物如何影响其功能。这将加速药物的发现，并为那些患有这种使人衰弱的疾病的人带来新的希望。

LRRK2：帕金森病的关键治疗靶点

LRRK2被称为激酶，是一种向其他蛋白质添加磷酸盐化学标签，影响其功能的一种酶。LRRK2突变是遗传性帕金森氏症的主要原因，但研究人员还不完全了解这种酶在疾病状态下的正常功能。

对这些问题的答案一直在积极寻求，特别是因为激酶是治疗学中最确定的药理学靶点之一。自从LRRK2基因在2004年首次被克隆以来，人们一直致力于将其用于帕金森病的治疗。

Susan Taylor博士是世界著名的激酶权威，她认为加大圣地亚哥分校的专业知识水平非常适合解决这个问题。因而获得迈克尔·J·福克斯基金会支持的，包括加大圣地亚哥分校人员在内的国际研究团队，开始利用新技术研究LRRK2。

LRRK2在微管上的细胞蓝图

正如在《细胞的》论文中所描述的，在加大圣地亚哥分校，由Elizabeth Villa博士和她的同事们组成的研究小组，利用了一种新的突破性技术—低温电子断层摄影术（cryo-ET）。这是一种低温电子显微镜（cryo-EM）的形式，在细胞内观察LRRK2的自然环境，并描述其结构在以前从未见过的水平之上。

在许多情况下，当研究人员试图确定一种蛋白质的结构时，他们首先将蛋白质从细胞外分离出来。当使用低温电子显微镜时，科学家们将这些分子冻结在一层薄冰中，保存它们的结构，并以高分辨率确定它们的结构。相反，维拉的研究小组用不同角度拍摄含有研究中分子的冰冻细胞图像，有点像CAT扫描。

Villa博士说：“我们掀开引擎盖，观察细胞内不同位置的冰冻分子在相互作用过程中被捕获的情况。” 世卫组织指出，与赛默飞世尔科学公司和加大圣地亚哥分校共同开发研究中使用的尖端仪器的重要性，以及加大圣地亚哥分校为在校园内建立一个新的低温电子设备所作的大量努力。“我们用电子和离子束像光剑一样把细胞的一部分炸开。在中间我们留下了一个窗口，里面有我们感兴趣的分子。”

研究人员还利用光学显微镜来发现细胞内的分子，并利用先进的计算建模工具开发出一个突变型LRRK2的高分辨率整合模型。他们的数据显示，LRRK2与细胞高速公路相连，称为微管，以一种惊人的规则和意想不到的几何结构装饰它们，并预测LRRK2的激酶类似于帕金森氏症中已知的“超速”状态。

加大圣地亚哥分校的研究人员发现，LRRK2结合微管，并制造障碍物，阻止驱动细胞货物运输的分子机器。他们还表明，一些靶向LRRK2激酶的药物增强了这种作用，而其他药物则减弱了这种作用。

Villa博士说：“这种强有力的新技术的结合在这项研究中是第一次被应用，并使人们能够第一次看到突变型LRRK2的结构，同时也得益于它的细胞环境。”。“据我们所知，这是人类蛋白质的最高分辨率结构，在使用常规生化工具之前，它是在细胞内测定的。我们正在将结构引入细胞生物学。”

LRRK2分子蓝图

为了了解LRRK2在化学水平上的工作原理和设计治疗方法，需要更高分辨率的结构来揭示原子的位置以及它们与潜在药物的相互作用。在《自然》的研究中，联合资深作者Samara Reck-Peterson博士和Andres Leschziner博士深入研究了LRRK2的结构和功能，并与维拉的研究小组合作，以确定LRRK2如何与微管相互作用。

利用cryo-EM，Reck-Peterson和Leschziner的团队捕捉到了迄今为止LRRK2结构的最详细图像，一直到原子水平。德国法兰克福歌德大学教授 Stefan Knapp和他的团队在确定如何使LRRK2适用于结构工程时也发挥了重要作用。这个结构组成了蛋白质的商业端，包括用磷酸盐标记其他蛋白质的部分。所有导致帕金森氏症的主要突变点都在这个结构中。

接下来，Reck-Peterson和Leschziner的团队将他们的结构与维拉的结合起来，提出了一个解释LRRK2如何与微管结合的模型。

“你可以把LRRK2的激酶部分想象成有点像Pacman，它可以是开放的，也可以是封闭的，”加大圣地亚哥医学院和生物科学部教授Leschziner说。“我们的模型表明，当与微管结合时，激酶需要处于封闭状态，这表明激酶的形状可能调节LRRK2与微管的结合。我们与Reck Peterson实验室合作，决定直接测试此模型。”

LRRK2是分子马达的障碍

微管是Reck-Peterson博士的专长。她和她的团队对沿着微管运输货物的分子马达以及这种运输中的缺陷如何导致人类神经发育和神经退行性疾病感兴趣。Reck Peterson和她的团队想知道LRRK2与微管的相互作用是否会对在微管上移动并在细胞中从一个地方运送重要货物的分子机器有害。

她的研究小组发现，LRRK2制造了阻止这些分子机器的路障。他们还表明，一些靶向LRRK2激酶的药物增强了这种作用，而其他药物则减弱了这种作用。虽然Leschziner和Reck-Peterson还不确定路障是否在帕金森病中起作用，但他们的发现已经对通过抑制LRRK2发挥作用的治疗药物的设计产生了影响。他们的工作指出，关闭LRRK2激酶结构域的激酶抑制剂可能会导致阻碍分子马达运动的有害效应。

加大圣地亚哥医学院和生物科学部教授、霍华德休斯医学院的研究员Reck-Peterson博士说：“目前还不清楚LRRK2微管结合在帕金森病中的作用。”。“但是，我们现在拥有的是细胞和分子蓝图，这就是研究LRRK2的作用和微调针对LRRK2的治疗药物所需要的。”

细胞研究的合著者：Colin K. Deniston, David M. Snead, Indarjit Lahiri, Reika Watanabe, Jan Böhning, Elizabeth Villa, Samara L. Reck-Peterson, and Andres E. Leschziner， 加州大学圣地亚哥分校；Keren Lasker，斯坦福大学。

细胞研究的资金来源：美国国立卫生研究院院长新创新者奖、迈克尔J.福克斯基金会、美国国立卫生研究院普通医学研究所、布兰夫曼家庭基金会奖、加州大学圣地亚哥分校可见分子细胞联合会博士后奖学金和台湾教育部联谊会。

《自然》研究的合著者：Colin K.Deniston，David M.Snead，Indarjit Lahiri，Reika Watanabe，Jan Böhning，Elizabeth Villa，Samara L.Reck Peterson和Andres E.Leschziner，加州大学圣地亚哥分校；John Salogiannis，Oscar Donosa，Howard Hughes UCSD医学院；Sebastian Mathea，Stefan Knapp，歌德大学；Andrew K.Shiau，路德维格癌症研究所。

图文来源：加大圣地亚哥分校

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