肌萎缩侧索硬化症（ALS）又称渐冻症或渐冻人症，是一种进行性的、致命的神经退行性疾病【1-5】。铜锌超氧化物歧化酶（SOD1）病理突变体在中枢神经系统的运动神经元形成纤维样聚集体是ALS的重要病理特征之一，SOD1编码基因sod1是最早被发现的与ALS有关的基因，迄今为止已经发现引起家族遗传性ALS的SOD1突变体多达208种，然而，这些SOD1突变体诱发家族遗传型ALS的分子机制仍不清楚【1-6】。
在对ALS患者的中央神经系统的解剖中科学家曾多次鉴定到SOD1的错误构象和聚集物，从SOD1突变的ALS转基因小鼠脊髓中也可分离得到SOD1的纤维样聚集体【7, 8】，然而尽管大量证据显示了SOD1异常聚集与神经退行性疾病发生间存在密切关联【1-6】，目前的研究仍不能确切阐释SOD1聚集在ALS的病理损伤中究竟发挥着怎样的效应，又是通过什么机制形成并影响着发病进程。很多SOD1病理突变体仍然保持着近似野生型SOD1的酶活性，这意味着酶活性的丧失并非是SOD1产生神经毒性的主要原因，SOD1很可能通过形成异常构象或聚集获得了毒性【9】，而突变则加剧了蛋白质发生异常聚集的倾向。
武汉大学梁毅团队和中国科学院上海有机所交叉中心刘聪团队长期合作聚焦神经退行性疾病相关重要蛋白质朊蛋白、Tau蛋白、SOD1和TDP-43及其病理突变体淀粉样纤维的冷冻电镜结构测定及功能研究，在野生型朊蛋白及其病理突变体E196K淀粉样纤维和野生型SOD1淀粉样纤维冷冻电镜结构及功能前期工作中，研究团队首次在原子水平上揭示了朊蛋白由细胞型朊蛋白（PrPC）向病理型朊病毒蛋白（PrPSc）结构转变的机制【10】（详见BioArt报道：NSMB | 梁毅/刘聪合作团队解析朊病毒蛋白纤维冷冻电镜结构），揭示了朊病毒蛋白病理聚集多态性的分子机制【11】（详见BioArt报道：Sci Adv | 梁毅/刘聪合作揭示朊病毒蛋白病理聚集多态性分子机制），揭示了ALS致病蛋白质SOD1构象转化分子机制【6】（详见BioArt报道：Nat Commun丨梁毅/刘聪揭示渐冻人症致病蛋白质SOD1构象转化分子机制），揭示了miRNA对PrPC相分离、肌肉细胞自噬及分化调控机制【12】（详见BioArtMED报道：Nat Commun | 梁毅揭示miRNA对PrPᶜ相分离、肌肉细胞自噬及分化调控机制）。H46R和G85R是两种显著影响金属离子结合的病理突变体，然而SOD1病理突变体到底是怎么激活调控神经细胞铁死亡并诱发家族遗传型ALS的仍是困扰科学界的谜题。
2024年11月1日，武汉大学生命科学学院梁毅团队和中国科学院上海有机所生物与化学交叉研究中心刘聪团队在Science Advances上以长文（Research Article）形式在线发表了题为Amyloid fibril structures and ferroptosis activation induced by ALS-causing SOD1 mutations的最新研究成果，在原子水平上解析了铜锌超氧化物歧化酶（SOD1）病理突变体H46R和G85R淀粉样纤维的高分辨率冷冻电镜结构（3.11 Å和2.97 Å）（图1），揭示了H46R和G85R淀粉样纤维对神经细胞铁死亡激活调控并诱发家族遗传型ALS新机制（图2和图3），为发展新的针对SOD1突变体纤维的ALS治疗药物奠定了基础。
为了阐释H46R和G85R淀粉样纤维对神经细胞铁死亡激活调控机制，研究人员通过激光共聚焦显微和免疫印迹等方法发现，与野生型SOD1纤维相比，这些突变体纤维具有更强的诱导细胞内源SOD1聚集和线粒体功能紊乱的能力，显著激活受谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）调节的神经细胞铁死亡（图2和图3）。GPX家族是在细胞氧化还原通路中位于SOD家族下游的过氧化物酶，GPX4可以清除膜脂过氧化氢产物，更是一种铁死亡的重要抑制因子，近年来被用作判断细胞发生铁死亡的关键指标。这项工作的实验结果提示，这些突变体纤维种子可能通过诱导聚集效应触发一系列复杂的氧化损伤通路，乃至激发了铁死亡途径。
图1：SOD1病理突变体H46R和G85R的纤维结构具有相似的仅由C端片段组成的纤维核心，与在N端和C端间形成了稳定盐桥作用的野生型纤维结构大不相同
通过进一步研究，研究团队发现，这两种显著影响金属离子结合的病理突变体H46R和G85R的纤维结构具有相似的仅由C端片段组成的纤维核心，与在N端和C端间形成了稳定盐桥作用的野生型纤维结构大不相同（图1），异硫氰酸胍解聚实验发现这两种突变体纤维的稳定性相比野生型显著降低。在G85R聚集过程中，单股原纤维通过病理突变位点的Arg85和Asp101之间形成的盐桥发生相互作用，形成一个亲水空腔，单股原纤维的核心包含8个β-折叠结构（从1到8），而在H46R聚集过程中，单股原纤维则通过Asn86和Asp101之间形成的氢键发生相互作用，形成一个亲水空腔，单股原纤维的核心包含7个β-折叠结构（从1到7）。此前研究表明，SOD1氨基酸位点突变会带来自由能形貌变化和活化构象扰动，那么该工作解析到的不同突变体生长纤维的结构多样性或许是一系列物理化学性质变化的下游事件。
这项工作的研究结果表明，H46R和G85R纤维核心分别由其C端的85-153和82-153组成，H46R和G85R纤维都由单股原纤维以左手螺旋的方式缠绕而成，纤维核心的部分疏水氨基酸侧链向内折叠形成1个长的疏水空腔，起到了稳定淀粉样纤维结构的作用。这两种病理突变使得SOD1丧失了大部分结合铜离子和锌离子的能力，导致SOD1纤维的结构发生重排，H46R和G85R纤维核心的部分亲水氨基酸侧链向内折叠形成3个亲水空腔，使得这些突变体纤维相较野生型纤维具有更不稳定的构象。
该研究首次揭示了H46R纤维、G85R纤维和野生型SOD1纤维之间的结构差异，在原子水平上揭示了SOD1病理突变体H46R和G85R淀粉样纤维激活细胞铁死亡的机制，证明金属离子结合区域的两种病理突变都能够破坏SOD1纤维中重要的相互作用（例如盐桥），使得这些病理突变体纤维结构形成了彼此类似但又完全不同于野生型SOD1纤维的构象，突显了具有相似功能的SOD1病理突变体可能表现出相似的纤维结构的重要性，并使得发展新的针对SOD1突变体纤维及其激活的铁死亡的ALS治疗药物成为可能，具有重要的科学意义。
梁毅教授和刘聪教授为通讯作者，梁毅课题组博士后王利强、刘聪课题组博士研究生马烨阳和梁毅课题组博士研究生张沐雅为共同第一作者，武汉大学土木建筑工程学院王正直教授、深圳市人民医院神经内科邹良玉教授、电子科技大学附属医院四川省人民医院乐卫东教授等参与了该论文的研究工作，武汉大学科研公共服务条件平台冷冻电镜机组特聘高级工程师李丹阳和实验员李香凝在数据收集工作中提供了重要协助。
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