加利福尼亚州洛杉矶–一种被称为 “转甲状腺素 ”的微小蛋白质在分泌后发生错误折叠时，会给人体带来大问题。当健康的转甲状腺素在血液和脊髓液中移动激素时，错误折叠的蛋白质会在心脏和神经中形成危险的凝块–引发一种称为转甲状腺素淀粉样变性（ATTR）的渐进性致命疾病。多达四分之一的 80 岁以上男性患有不同程度的 ATTR，这种疾病会导致呼吸急促、头晕、四肢刺痛或失去知觉。
现在，斯克里普斯研究所的科学家们发现了转甲状腺素的新结构。他们的研究结果发表在 2025 年 1 月 22 日的 Nature Structural & Molecular Biology 杂志上，显示了这种蛋白质的三维不对称性是如何导致其不稳定性的。这一发现也有助于开发治疗ATTR的新药。
The conformational landscape of human transthyretin revealed by cryo-EM
https://doi.org/10.1038/s41594-024-01472-7
共同第一作者、斯克里普斯研究所教授加布里埃尔-兰德（Gabriel Lander）博士说：”我们揭示了几十年来被研究人员掩盖的分子复杂性，这使我们能够设计出更好的药物来稳定转甲状腺素。
“新结构揭示了以前认为相同的两个甲状腺激素结合位点的差异，有助于解释为什么与一个位点结合的药物会改变药物与另一个位点结合的能力，”斯克里普斯研究中心化学系丽塔-安嫩伯格-哈森教授、该研究的共同第一作者杰弗里-凯利博士补充说。
要确定转甲状腺素等小分子蛋白质的三维结构，研究人员通常会求助于晶体学，在晶体学中，蛋白质在成像前会被强制形成一个大型、重复的晶体结构。然而，结晶蛋白质的结构并不总能反映体内单个自由浮动蛋白质的构象。
另一种方法是冷冻电子显微镜（cryo-EM），它能将蛋白质瞬间冷冻，以更自然的结构捕捉它们。然而，这些冷冻蛋白质随后会悬浮在液体中，而像转甲状腺素这样的小蛋白质往往会被卡在气液边界，而不是完全浸没。这既影响了蛋白质的结构稳定性，也影响了显示其详细结构的能力。
为了克服这一难题，Lander 的研究小组开发了一种涂有石墨烯的薄网格，转甲状腺素分子可以自然地附着在网格上。然后，他们将这种网格迅速放入液态乙烷中以冻结样品。这一过程将转甲状腺素分子固定在石墨烯表面，并保留了它们的自然构象，以模拟它们在人体血液或液体中移动时的样子。
“在制作网格时，我们借鉴了普林斯顿大学 Yan 实验室 2019 年的工作成果。正确处理表面化学性质对这类研究至关重要。兰德实验室前研究助理、新论文第一作者本杰明-巴桑塔（Benjamin Basanta）博士说：”对于像转甲状腺素这样的小蛋白质，创建高质量的样本仅仅是开始；分析数据也是挑战的一部分。
当研究小组用转甲状腺素测试这种方法时，他们发现转甲状腺素形成了不对称结构，有两个形状不同的结合口袋。根据过去已解决的 200 多个晶体结构，这些结合位点被认为是相同的。兰德说，研究人员发现，这种变化是因为转甲状腺素复合物在两种不同状态之间不断摆动，就像分子版的 “呼吸”。转甲状腺素原生结构的这种不对称性也提出了一个假设，即解离和错误折叠过程是如何发生的，进而导致蛋白质结块和随后的疾病。
他们发现，将凯利实验室开发的 ATTR 药物 tafamidis 连接到一个或两个转甲状腺素结合位点上，可以稳定分子并最大限度地减少这种移动。
现在，兰德和他的同事们打算研究这种结构及其稳定性与 ATTR 的关系，以及针对转甲状腺素的药物如何治疗这种疾病。他们还表示，他们的石墨烯网格方法可用于确定其他小型和不稳定蛋白质的结构，包括阿尔茨海默氏症患者大脑中堆积的淀粉样β肽。
兰德说：”我们开发的方法为治疗途径打开了一扇新的大门，有朝一日不仅能保护患者免受TTR淀粉样变性的困扰，还能保护患者免受其他淀粉样变性疾病的困扰。
除了兰德、凯利和巴桑塔之外，《低温电子显微镜揭示的人类转甲状腺素构象图谱》研究的作者还有斯克里普斯研究所的卡琳娜-努格罗霍（Karina Nugroho）、尼古拉斯-严（Nicholas L. Yan）、加布里埃尔-M-克莱恩（Gabriel M. Kline）、埃文-T-鲍尔斯（Evan T. Powers）、费利克斯-蔡（Felix J. Tsai）、吴孟宇（Mengyu Wu）、阿尔塞亚-汉塞尔-哈里斯（Althea Hansel-Harris）、杰森-陈（Jason S. Chen）和斯特凡诺-弗利（Stefano Forli）。
这项工作得到了美国国立卫生研究院（GM142196、AG067594、DK046335）和乔治-休伊特医学研究基金会（George E. Hewitt Foundation for Medical Research）博士后奖学金的支持。
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