供稿：岗方印，武汉大学
校稿：张杉，武汉大学
推送：张杉，武汉大学
今天给大家分享的文献发表在Science advances上，标题为Anionic nanoplastic contaminants promote Parkinson’s disease-associated α-synuclein aggregation，通讯作者为杜克大学的神经退行性疾病和神经治疗学中心的Andrew B. West教授。
为了确定聚苯乙烯纳米颗粒对α-Syn聚集的影响，作者使用高浓度α-Syn与阴离子纳米塑料混合，持续摇晃几天后产生白色泡沫状界面，6天后整体呈浑浊状态（图1A）。通过负染色透射电子显微镜（TEM）对溶液中的产物进行检查，发现早在3天内就存在从单个塑料颗粒中聚集的多个α-Syn原纤维（图1B）。随后，通过动态光散射分析α-Syn与纳米塑料之间的相互作用，结果发现，一个纳米塑料颗粒可以在几分钟内与100多个α-Syn单体形成稳定的配合物（图1C、D）。对不同浓度的纳米塑料相对于固定浓度的α-Syn的分析表明，低至亚纳摩尔浓度的纳米塑料可以使α-Syn原纤维形成聚集体（图1E），并且加速了新纤维的生成（图1H）。此外，作者发现在反应体系中加入氯化钠会阻止相互作用，说明阴离子纳米塑料以潜在的静电依赖方式与单体/纤维化的α-Syn相互作用。
图1 阴离子纳米塑料催化α-Syn聚集
接下来，作者通过分子动力学模拟（MD）发现阴离子纳米塑料与α-Syn的两亲结构域和NAC疏水结构域结合从而形成稳定的复合物（图2A）。同样，计算的ΔG结合能表明α-Syn与阴离子的结合比与中性或阳离子纳米塑料的结合更强（图2B）。由于α-Syn的两亲结构域和NAC疏水结构域富含带正电荷的赖氨酸残基，作者进一步研究了阴离子纳米塑料与α-Syn的聚集是否是静电作用的结果。MD模拟结果显示，关键的氢键和离子分子间相互作用驱动阴离子纳米塑料特异性地与α-Syn的两亲结构域和NAC结构域的残基结合（图2C、D）。
图2 阴离子纳米塑料与α-Syn的两亲性结构域和NAC结构域相互作用
为了进一步研究α-Syn的两亲结构域是否与阴离子纳米塑料相互作用并促进α-Syn聚集，作者构建了两个截断的α-Syn蛋白，其中一个截短了两亲结构域，另一个则去除了整个结构域（图3A）。结果发现，不含两亲结构域的α-Syn蛋白不能与阴离子纳米塑料相互作用（图3B）。通过聚集实验来研究纳米塑料是否能在缺少两亲结构域的情况下促进α-Syn，尽管截短的变体比全长α-Syn聚集得更快，但阴离子纳米塑料的加入并没有刺激它们的聚集（图3C），这表明在聚集过程中，两亲结构域对于结合和相互作用都是必要的。随后作者通过表面等离子体共振发现阴离子纳米塑料与α-Syn之间具有较高的亲和力（图3D）。以上结果说明α-Syn和阴离子纳米塑料之间不是通过被动、非特异性吸附相互作用的。
图3 阴离子纳米塑料与α-Syn两亲结构域紧密结合，引发α-Syn聚集
在细胞实验中，发现纳米塑料可以内化到小鼠成熟神经元中，并且经过12小时后，纳米塑料大多定位于溶酶体的囊泡中（图4A、B）。这说明神经元可以通过网格蛋白介导的机制来内化纳米塑料。为了解这些神经元中与阴离子纳米塑料内化相关的内吞机制以及与溶酶体中α-Syn的潜在作用，作者用不同大小的纳米塑料（图4C、D）和不同类型的内吞作用抑制剂（图4E、F）培养神经元。结果表明，神经元可以通过网格蛋白介导的机制快速内化不同大小的带电纳米塑料。
图4 小鼠原代海马神经元通过动力依赖过程内吞纳米塑料
溶酶体可降解神经元中内源性α-Syn聚集体。作者对比了阴离子纳米塑料和溶酶体损伤剂LLOME对溶酶体功能的影响，通过特定标志物（Gal3）的表达来评估阴离子纳米塑料和LLOME对溶酶体的影响，并利用LysoSensor荧光标记评估溶酶体的酸性。结果发现阴离子纳米塑料不会引起溶酶体损伤标志物的积累（图5A、B），但会轻微影响溶酶体功能（图5C、D）。接下来，作者通过使用BODIPY标记α-Syn纤维来评估溶酶体中α-Syn纤维的降解情况，结果发现阴离子纳米塑料影响了溶酶体对α-Syn纤维的降解功能，减缓了α-Syn的降解速度（图5E、F）。以上结果说明，阴离子纳米塑料引起的溶酶体功能损伤可能是减缓α-Syn聚集体降解的主要原因。
图5 阴离子纳米塑料引起溶酶体轻度损伤，并减弱外源性α-Syn聚集体的降解
随后，为了进步研究阴离子纳米塑料和α-Syn在大脑中的分布和运输模式，作者以小鼠为模型探索共同注射情况下对α-Syn聚集和神经元病变的潜在影响（图6A、B）。通过共聚焦荧光显微镜发现，联合注射后，阴离子纳米塑料和α-Syn的分布部位类似，并且在多巴胺能神经元中呈现共聚集（图6E、F）。此外，联合注射后，多巴胺能神经元中α-Syn的第129位磷酸化水平增加（pS129），pS129被认为是帕金森病病理标志物。以上结果表明阴离子纳米塑料可能会影响
图6 阴离子纳米塑料与α-Syn在神经元内积累
综上，纳米塑料污染能够促进帕金森病以及痴呆症相关的α-Syn的聚集。具体来说，阴离子纳米塑料污染物能够进入大脑组织，通过与α-Syn的两亲和NAC结合域相互作用，导致α-Syn的聚集，进而诱导帕金森等神经性疾病的发生。
文章编号：465
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi8716
原文引用：
Zhiyong Liu#, Arpine Sokratian#, Addison M. Duda, Enquan Xu, Christina Stanhope, Amber Fu, Samuel Strader, Huizhong Li, Yuan Yuan, Benjamin G. Bobay, Joana Sipe, Ketty Bai, Iben Lundgaard, Na Liu, Belinda Hernandez, Catherine Bowes Rickman, Sara E. Miller, Andrew B. West*. Anionic nanoplastic contaminants promote Parkinson’s disease-associated α-synuclein aggregation. Sci. Adv., 2023, 9: eadi8716. (#为共同第一作者)
