《Nature Communications》：Structures of dye-bound transthyretin amyloid fibrils from abdominal fat biopsies
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【编辑推荐】：如何实现甲状腺素运载蛋白（TTR）淀粉样变心肌病（ATTR-CM）的早期、精准诊断是临床面临的难题。为解决此问题，研究人员开展了针对活体患者腹壁脂肪活检样本中TTR淀粉样纤维的冷冻电镜结构解析研究。结果显示，脂肪来源的TTR纤维结构与尸检心脏组织中的结构高度一致，并首次揭示了染料刚果红（CR）和硫黄素S（ThS）通过与纤维表面特定精氨酸位点的静电相互作用而结合。该研究为合理设计TTR特异性示踪剂、实现ATTR-CM的早期准确诊断提供了关键的分子结构基础。
想象一下，一种被错误折叠的蛋白质——甲状腺素运载蛋白（Transthyretin, TTR），在人体内悄悄地聚集成名为“淀粉样纤维”的刚性长丝。这些纤维像微小的荆棘，逐渐沉积在心脏等重要器官中，最终引发一种致命的心脏疾病：甲状腺素运载蛋白淀粉样变心肌病（ATTR-CM）。这种疾病的早期诊断一直是个巨大的临床挑战，因为现有的筛查方法要么不够灵敏，要么不够快速。更关键的是，临床上广泛使用刚果红（Congo Red, CR）和硫黄素S（Thioflavin S, ThS）等染料来染色活检组织中的淀粉样纤维，以辅助诊断，但我们却对“这些染料究竟是如何结合到TTR纤维上的”这一基本问题缺乏原子层面的认识。这种认识的缺失，阻碍了基于结构理性设计更优诊断示踪剂的脚步。为此，一项发表于《Nature Communications》的研究迈出了关键一步。研究人员从三位活着的Ala97Ser遗传型ATTR-CM患者身上，通过微创手术获取了腹壁脂肪垫活检样本。这项研究不仅验证了利用活体患者脂肪组织研究TTR纤维原子结构的可行性，更首次“拍摄”下了染料分子与TTR纤维紧密结合的清晰“合照”，揭示了其结合密码，为开发新一代高特异性诊断工具奠定了坚实的分子基础。
为了回答上述问题，研究团队主要运用了以下几项关键技术：首先，他们从三名活体Ala97Ser ATTR-CM患者的腹壁脂肪垫（abdominal fat-pad）活检样本中，直接提取了病理性的TTR淀粉样纤维，这构成了研究的核心样本队列。其次，他们利用冷冻电子显微镜（cryo-electron microscopy, cryo-EM）这一强大的结构生物学工具，对提取的天然TTR纤维进行了高分辨率三维结构解析。最后，为了探究临床诊断染料的结合机制，他们通过体外孵育的方式，使TTR纤维与刚果红（CR）或硫黄素S（ThS）结合，并再次运用冷冻电镜解析了染料-纤维复合物的结构，从而在原子水平上揭示了其相互作用细节。
研究结果
腹壁脂肪来源的TTR淀粉样纤维结构与心脏来源结构一致
研究人员首先从活体ATTR-CM患者的腹壁脂肪活检样本中提取出TTR淀粉样纤维，并解析了其冷冻电镜结构。结果显示，这些从脂肪组织获得的纤维，其核心结构（由TTR原纤维以特定方式堆叠而成）与之前报道的从死亡患者病变心脏组织中提取的TTR纤维结构几乎完全相同。这一关键发现证实，通过微创、易获取的腹壁脂肪活检，完全可以真实反映沉积在心脏等关键病变器官中TTR纤维的原子结构，为在活体患者中直接研究疾病相关蛋白纤维结构打开了大门。
染料刚果红和硫黄素S共享TTR纤维上的结合口袋
研究团队进一步解析了TTR纤维分别与两种临床常用淀粉样染料——刚果红和硫黄素S——形成的复合物结构。令人惊讶的是，尽管这两种染料的化学结构不同，但它们都结合在TTR纤维表面的同一个位点上。这个结合位点位于纤维表面一个由相邻原丝（protofilament）形成的“沟槽”中，是一个带负电的凹槽。
染料结合由关键的静电相互作用介导
在原子细节层面，结构显示，刚果红和硫黄素S都通过其分子上带正电的部分，与TTR纤维结合口袋中一个高度保守的精氨酸残基（Arg103）的胍基基团发生强静电相互作用。这是染料结合的主要驱动力。此外，染料分子还通过范德华力等次级相互作用与周围氨基酸残基形成互补。这种结合模式解释了为什么这些染料能相对特异性地识别淀粉样纤维结构。
Arg103是染料结合的关键位点
结构分析突显了精氨酸103（Arg103）的核心作用。该残基在TTR纤维中构象固定，其带正电的胍基恰好与带负电的染料分子形成盐桥。序列比对表明，这个精氨酸残基在多种物种的TTR中都是保守的，这可能部分解释了CR和ThS能广泛用于检测不同蛋白形成的淀粉样沉积。
研究结论与意义
这项研究通过解析活体ATTR-CM患者腹壁脂肪活检样本中TTR淀粉样纤维及其与诊断染料复合物的冷冻电镜结构，得出了几项重要结论。首先，它证实了从活体患者易获取的脂肪组织中提取的病理纤维，能准确代表病变器官（如心脏）中的纤维结构，这为未来基于临床活检样本的直接结构研究提供了范式。其次，也是最具突破性的发现是，它首次在原子分辨率上揭示了临床广泛使用的刚果红和硫黄素S是如何结合到TTR淀粉样纤维上的：它们主要通过静电相互作用，结合在纤维表面一个特定的、包含关键Arg103残基的负电凹槽中。
这些发现具有多重重要意义。在基础科学层面，它解答了淀粉样诊断染料与靶蛋白纤维相互作用的基本结构生物学问题。在临床转化层面，该结构为“基于结构的理性设计”铺平了道路。研究人员可以依据这个明确的结合口袋信息，设计或优化小分子示踪剂，使其对TTR纤维具有更高的亲和力和特异性，同时避免与其他类型淀粉样蛋白交叉结合，从而开发出更精准的成像探针（例如用于正电子发射断层扫描PET），实现ATTR-CM的早期、无创、准确诊断。此外，该结合位点的揭示也可能为开发旨在干扰染料结合或纤维形成的治疗性化合物提供新靶点。总之，这项研究架起了一座从原子结构到临床诊断的桥梁，为战胜ATTR淀粉样变性这一顽疾带来了新的希望。
