《Biophysical Chemistry》：Changes in the concentration of phosphatidylcholine in lipid bilayers determines the aggregation rate of transthyretin
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本研究针对转甲状腺素蛋白淀粉样变性病发病机制不清的问题，通过系统探究血浆膜主要磷脂成分——磷脂酰胆碱(PC)浓度变化对TTR淀粉样聚集的影响。研究发现PC浓度从40%降至35%会显著加速TTR聚集，且形成的聚集体细胞毒性增强。AFM-IR纳米光谱分析揭示PC浓度通过调节β-折叠结构含量影响毒性，为理解脂质微环境调控蛋白质错误折叠提供了新机制见解。
在神经退行性疾病研究领域，转甲状腺素蛋白(TTR)淀粉样变性病一直是个令人困惑的医学难题。这种疾病的特点是TTR蛋白——一种负责运输视黄醇和甲状腺素的四聚体蛋白——在中枢和周围神经系统中异常聚集，形成有毒的寡聚体和纤维。虽然已有小分子药物能够稳定TTR结构，但疾病发生的深层分子机制仍笼罩在迷雾之中。
近年来，科学家们将目光投向细胞膜的脂质成分。越来越多的证据表明，脂质不仅能影响TTR的稳定性，还可能直接参与蛋白质的错误折叠过程。特别值得注意的是，血浆膜脂质组成的病理变化可能是触发TTR淀粉样变性的关键因素。在这项发表于《Biophysical Chemistry》的研究中，德克萨斯A&M大学的研究团队深入探讨了磷脂酰胆碱(PC)——血浆膜中最丰富的磷脂成分——的浓度变化如何精确调控TTR的聚集行为。
为了解开这一谜题，研究人员设计了一套精巧的实验方案。他们首先制备了含有不同PC比例(30%、35%、40%)的大单层囊泡(LUVs)，模拟生理条件下血浆膜的脂质环境。随后，他们运用硫黄素T(ThT)荧光 assay监测TTR聚集动力学，通过原子力显微镜(AFM)观察聚集体形貌，并创新性地采用原子力显微镜-红外光谱(AFM-IR)技术在纳米尺度解析蛋白质二级结构。最后，通过乳酸脱氢酶(LDH) assay评估聚集体的细胞毒性。
2.1. TTR聚集速率依赖于膜中PC浓度
ThT assay结果显示，PC浓度对TTR聚集具有显著调控作用。当PC浓度从40%(生理水平)降至35%时，聚集滞后时间(tlag)从6.48小时缩短至1.97小时，表明聚集过程明显加速。值得注意的是，PC浓度在40%以上时，抑制效应达到平台期，而磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰丝氨酸(PS)的浓度变化则未产生类似影响。
2.2. 蛋白质聚集体的形貌分析
AFM成像揭示了PC浓度对TTR聚集体结构的精细调控。在无脂质条件下，TTR形成高度约6纳米的细纤维状结构；而在40% PC存在下，纤维形态相似但高度分布更广(3-12纳米)。当PC浓度降至30%时，出现蠕虫状细纤维与粗纤维的混合形态；35% PC条件下则主要生成高度6-9纳米的短纤维状物种。
2.3. TTR纤维的二级结构分析
AFM-IR光谱分析提供了纳米尺度的结构洞察。无脂质条件下形成的TTR纤维含有约30%的平行β-折叠和40%的无规则结构。40% PC条件下，纤维以无规则结构为主(71.3%)，表明PC抑制了平行β-折叠的形成。特别值得注意的是，35% PC条件下形成的纤维表现出最高比例的平行β-折叠结构，这与后续观察到的毒性增强现象高度吻合。
2.4. 蛋白质聚集体的毒性评估
LDH assay结果显示，PC浓度与TTR聚集体毒性存在明确关联。40% PC条件下形成的纤维毒性最低(8.2%)，而无脂质条件下毒性为17.0%。令人惊讶的是，35% PC条件下形成的聚集体毒性最高(23.1%)，这与该条件下平行β-折叠含量最高相一致，证实了蛋白质二级结构与细胞毒性之间的直接关联。
本研究通过多尺度实验分析证实，血浆膜中PC浓度的微小变化(如从40%降至35%)即可显著改变TTR的聚集动力学、形态结构和细胞毒性。这些发现不仅揭示了脂质微环境在蛋白质错误折叠中的精确调控作用，更为理解TTR淀粉样变性病的发病机制提供了新视角。研究结果表明，维持正常的PC水平可能对预防TTR淀粉样沉积具有保护作用，而PC浓度的病理改变则可能成为疾病发生的触发因素。这一机制见解为开发针对脂质代谢异常的干预策略奠定了理论基础，对淀粉样变性病的早期诊断和治疗具有重要启示。
从技术层面看，本研究成功将AFM-IR等前沿技术应用于蛋白质聚集研究，实现了对单个蛋白质聚集体的纳米级结构解析，突破了传统光谱技术的局限。研究结果强调，未来关于淀粉样疾病的研究需要更加关注脂质组成与蛋白质构象的动态相互作用，特别是在生理相关条件下验证这些发现将是下一步研究的重要方向。
