《Journal of Biological Chemistry》：Structural and mechanistic characterization of heparin interactions with tau fibrils
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本研究针对tau蛋白纤维在阿尔茨海默病等神经退行性疾病中的关键作用，通过结合布朗动力学和分子动力学模拟，首次在原子水平上揭示了肝素与tau蛋白纤维（PHF和SF两种多态性结构）的相互作用机制。研究发现肝素通过静电导向作用优先结合于K375/R349位点，并确定了多个次级结合位点，为理解tau蛋白纤维的传播机制和开发新型治疗策略提供了重要结构基础。
在阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）等神经退行性疾病的发病机制中，tau蛋白的错误折叠和聚集形成淀粉样纤维是一个核心病理特征。这些不溶性的tau蛋白纤维在神经元内积累，形成神经纤维缠结，最终导致神经元死亡。然而，tau蛋白本身具有高度可溶性，在缺乏辅助因子或截断的情况下不易自发聚集。研究发现，在体内环境中，tau纤维与糖胺聚糖（glycosaminoglycans, GAGs）如硫酸肝素（heparan sulfate, HS）存在共定位现象。
肝素作为一种高度硫酸化的HS类似物，在体外实验中常被用来加速tau蛋白的聚集过程。特别值得注意的是，肝素与tau纤维的结合能够抑制周围细胞对纤维的摄取，而细胞表面的HS则调节这一摄取过程。理解肝素和HS与tau纤维在分子水平上的相互作用机制，对于开发能够延缓神经退行性疾病进展的治疗靶点具有重要意义。
在这项发表于《Journal of Biological Chemistry》的研究中，Fiona Mon和John E. Straub采用多尺度计算方法，结合布朗动力学和分子动力学模拟，系统研究了肝素与两种tau纤维多态性结构（配对螺旋纤维PHF和直纤维SF）的相互作用。研究人员通过大规模计算模拟，首次实现了肝素与tau纤维结合的从头预测，揭示了肝素结合的基本规律和分子机制。
主要技术方法
本研究采用了多层次计算生物学方法：首先利用布朗动力学模拟研究肝素与tau纤维的初始结合过程，生成数千条结合轨迹；随后通过分子动力学模拟对预测的结合模式进行结构优化；同时结合静电势计算、结合自由能计算等方法综合分析结合特性。研究基于从阿尔茨海默病患者脑组织中解析的tau纤维冷冻电镜结构（PDB: 5O3L和5O3T），构建了10层的纤维模型用于模拟研究。
研究结果
静电导向介导肝素与tau PHF纤维中K375/R349的结合
通过计算tau纤维的静电势场，研究人员发现纤维表面存在由碱性残基组成的正电荷区域，这些区域通过长程静电作用引导带负电的肝素分子向纤维表面靠近。布朗动力学模拟结果显示，肝素与tau PHF纤维结合的概率分布表明K375是最主要的结合位点（结合概率26.2%），其次是K311位点（24.2%）。分子动力学模拟进一步揭示，当肝素结合于K375位点时，约有88%的构象集合中肝素同时与K375和R349发生相互作用，表明R349通过次级相互作用稳定了肝素与纤维的结合。
静电导向决定肝素与tau SF纤维中K375/R349的结合
在tau SF纤维中，研究人员观察到了类似的结合模式。K375同样是主要的肝素结合位点，结合概率高达25.4%。与PHF纤维不同的是，SF纤维中K317/K321区域具有更强的正电场强度，这导致肝素在该区域更容易出现结合方向偏离纤维主轴的情况。结合自由能分析显示，肝素与不同结合位点的结合强度从弱到强依次为：K311 < K375 < K331 < K375/R349 < K317/K321。
盐离子在tau纤维组装和稳定中的作用
研究发现氯离子在tau纤维核心的带正电残基周围聚集，而钠离子则定位于带负电的残基附近。特别值得注意的是，在SF纤维中，当肝素结合于K317/K321位点时，即使肝素未能完全占据所有结合位点，该区域仍保持较强的氯离子密度，表明肝素与氯离子在这些位点存在竞争性结合。
肝素硫酸化模式对tau-肝素结合的影响
研究还探讨了肝素链长和硫酸化模式对结合的影响。结果表明，增加肝素链长或硫酸化程度会提高其与tau纤维的结合概率。6-O-去硫酸化肝素对结合的影响最为显著，这与之前的实验研究结果一致。
讨论与结论
本研究通过多尺度计算模拟，首次在原子水平上揭示了肝素与tau纤维的相互作用机制。研究发现肝素与tau纤维的结合主要由静电相互作用驱动，带负电的肝素分子在纤维表面正电荷区域的静电引导下，优先结合于K375位点，并通过与R349的次级相互作用进一步稳定结合复合物。
研究结果与冷冻电镜图中观察到的额外密度区域高度一致，支持了这些密度区域可能对应结合糖胺聚糖的假设。特别是K375位点附近的额外密度，很可能对应于结合的肝素/HS分子。
这些发现为理解tau蛋白纤维在神经退行性疾病中的传播机制提供了重要见解。由于肝素能够抑制tau纤维被周围细胞摄取，而HS则促进这一过程，深入了解肝素/HS与tau纤维的相互作用机制，对于开发针对tau蛋白病的治疗策略具有重要意义。该研究建立的结构和机制框架不仅有助于理解纤维-聚糖相互作用的基本规律，也为探索tau纤维传播的整体机制奠定了基础。
研究的局限性在于目前主要关注肝素与tau纤维的相互作用，而体内更相关的HS可能与tau纤维存在不同的结合行为。未来研究需要进一步探讨HS与tau纤维的相互作用特征，以及这些相互作用在tau蛋白病发生发展中的具体作用机制。
