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淀粉样纤维的结构与组装机制研究依赖于固体和溶液态核磁共振（NMR）技术，后者在解析纤维与金属离子、多糖（如糖胺聚糖）、脂质膜及合成疗法的相互作用中发挥关键作用，并揭示早期组装阶段及病理相关动态过程。
兰卡斯特大学化学系，兰卡斯特 LA1 4YB，英国
摘要
淀粉样纤维是不溶性的纤维状纳米结构，在包括阿尔茨海默病（AD）和2型糖尿病在内的多种人类疾病的发展过程中会在生物组织中积聚。这些纤维是由蛋白质单体通过可溶性、细胞毒性的寡聚体的短暂形成组装而成的，其共同的分子结构由氢键连接的β-折叠链构成。在过去25年中，核磁共振（NMR）光谱技术在研究淀粉样聚集体的结构和组装机制方面处于领先地位。直到最近冷冻电子显微镜在纤维结构分析方面的兴起之前，固态NMR在提供淀粉样纤维结构的原子级模型方面无与伦比。溶液态NMR也为淀粉样组装机制的早期阶段提供了补充信息。现在，这两种NMR方法都被证明在揭示淀粉样物质与多种生理金属离子、分子和表面之间的复杂相互作用方面非常有价值，这些因素会影响组装途径、动力学、形态和体内清除过程。本文概述了固态和溶液态NMR在研究淀粉样蛋白与生物膜、糖胺聚糖、金属离子、多酚、合成治疗剂和诊断剂之间相互作用的主要应用。同时回顾了关键的NMR方法，并举例说明了如何克服检测与聚集蛋白相互作用的挑战。这篇综述预示着NMR在提供淀粉样蛋白与非蛋白质成分之间相互作用的综合和病理相关视角方面的新作用。 引言
细胞蛋白质组的分子快照会显示出无序和部分展开的蛋白质以及结构明确的球状蛋白质实体的分布。无结构的蛋白质可能包含暴露的序列元素，这些元素可以与相同的蛋白质副本组装形成称为淀粉样纤维的纤维状超分子聚集体[1]。淀粉样纤维的形态与其前体蛋白质的一级氨基酸序列无关，而且在结构上可能比天然蛋白质折叠更稳定。纤维的形成是放热的，通过类似于过饱和限制结晶的成核和生长过程发生，最终沉淀出不溶性物质[2]。多年来，NMR光谱技术一直处于（i）可视化溶液中淀粉样形成的早期机制和（ii）确定固态纤维原子结构方法的前沿。最近，冷冻电子显微镜（cryo-EM）已成为描绘淀粉样纤维三维结构的首选方法[5]。现在，NMR正在发挥新的重要作用，即解析淀粉样物质与在聚集途径中起作用的多种辅助分子和离子之间的相互作用和动态。
临床上，淀粉样物质被定义为在组织中积聚的不溶性纤维沉积物，其中含有高比例的β-折叠结构蛋白。多达50种人类疾病，包括阿尔茨海默病、2型糖尿病和帕金森病（表1），都与在系统或特定器官中积聚的淀粉样物质有关。淀粉样物质的病理效应可能源于不溶性纤维斑块的负担，这会对心脏、肝脏和肾脏等器官造成压力，或者源于在纤维延长之前暂时形成的可溶性细胞毒性寡聚体。此外，虽然本文没有深入讨论，但肽和蛋白质也可能组装成功能性淀粉样物质，在各种生物过程中发挥有益作用[6]。
从组织中提取或在受控条件下体外组装的淀粉样物质的透射电子显微镜（TEM）显示出的结构通常是直径约10纳米、长度几微米的不分支丝状结构。纤维的核心结构称为交叉β形态，由通过分子间氢键组装的β-折叠链重复阵列组成，这些β-折叠链通过侧链的立体拉链效应稳定[7]、[8]。交叉β结构产生特征性的X射线纤维衍射图案，在氢键方向上的重复距离约为4.7埃（图1），在β-折叠层之间的典型间距大于10埃[7]、[8]。寡聚体是通往纤维聚集体的关键中间体，具有不同的大小和形态，包括球形结构[9]。它们被认为是蛋白质聚集过程中最重要的病理相关物质，其细胞毒性可能涉及穿透和破坏细胞膜。
NMR光谱技术被广泛用于阐明由多种蛋白质前体组装的淀粉样纤维和寡聚体的结构和组装机制。溶液态NMR最适合分析在聚集途径早期前核化阶段占主导地位的小分子、水溶性物质（单体和寡聚体），因为这些物质的翻转速率很快[10]、[11]、[12]。固态NMR——特别是魔角旋转（MAS）NMR——用于表征聚集结束时分离出的成熟、不溶性纤维的原子细节[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。然而，这两种技术的能力存在一定重叠（图2）。大多数关于淀粉样物质的NMR研究集中在仅在恒定离子强度的缓冲溶液中由单一蛋白质前体形成的物质上。然而，现在很清楚，体内淀粉样斑块的组成是高度多样和异质的，包括蛋白质纤维、非纤维蛋白质以及辅助的非蛋白质成分，如金属离子[21]、[22]、糖胺聚糖（GAGs）和蛋白聚糖[23]、[24]、核酸片段[25]、[26]、[27]、[28]、胆固醇和脂质[29]。许多这些辅助分子和离子调节淀粉样聚集的动力学、组装途径和纤维形态，其中一些被认为与病理的发生和发展有关[30]。淀粉样物质与外源性合成分子（如治疗性淀粉样抑制剂和诊断性放射性配体）的相互作用也对体外和体内的研究和临床应用具有重要意义。
辅助分子和离子影响蛋白质聚集的机制取决于相互作用物质的性质，以及环境因素，如pH值、离子强度和局部蛋白质浓度。一般来说，聚集通常是由蛋白质部分展开成暂时存在的中间状态引发的，这些中间状态暴露出易聚集的区域[31]。这一过程促进了稳定寡聚体的形成，这些寡聚体可能通过模板机制快速催化纤维生长。早期组装阶段可能会因与辅助物质的相互作用而加速或受阻，进一步的分子和离子可能会被招募到生长中的纤维中。疏水效应可能在促进聚集过程中起核心作用[32]。例如，金属离子可以根据局部pH值部分或完全中和部分折叠蛋白质中的带电残基，这可能促进疏水塌陷，从而限制蛋白质的溶剂可接触表面积。在这种情况下，蛋白质之间的分子间主链氢键的形成——这是淀粉样物质的一个关键特征——可能发生，以抵消溶剂可接触面积的损失[32]。聚阴离子分子（如肝素）和脂质双层的带电表面可能进一步作为浓度区，促进蛋白质之间的碰撞或作为模板以促进聚集[33]。其他分子，如多酚（通常是平面实体），可能通过插入成熟或生长中的纤维的β-折叠层之间来抑制蛋白质聚集[34]。
NMR光谱技术非常适合——甚至可以说是首选方法——详细探究这些相互作用，以便从聚集蛋白质和相互作用物质的角度观察效果。由于系统的异质性，NMR可以提供其他技术无法获得的分子和原子级别的细节。本文回顾了用于研究淀粉样物质相互作用的NMR方法，以突出主要应用及其相关的挑战和考虑因素。
实用考虑
淀粉样物质的形成可以简化地描述为从亚稳态的可溶性蛋白质单体转化为热力学稳定的不溶性纤维。这两种极端状态标志着初级和次级成核过程的复杂、随机且受环境影响的途径，以及单体、寡聚体、原纤维和纤维物种共存的高度可变时期（表2）。中间阶段的复杂性和寿命受到
与糖胺聚糖和蛋白聚糖的相互作用
糖胺聚糖是带负电荷的分支生物聚合物，存在于每种哺乳动物组织中，在维持细胞水分、结构支架和细胞信号传导方面发挥细胞外作用[100]。四种主要的GAG类型是肝素硫酸盐、软骨素/硫酸软骨素、角质素硫酸盐和未硫酸化的透明质酸。GAGs在体内普遍与淀粉样斑块一起积聚，并在体外加速淀粉样物质和类似淀粉样纤维的形成
方向性问题
前面的章节强调了NMR在溶液态和固态下监测淀粉样物质与多种离子、肽、脂质、多糖和小分子之间相互作用的能力和多功能性。在有利的情况下，NMR能够确定辅助离子和分子与单体和纤维状淀粉样蛋白质的相互作用位点。如所见，借助MAS固态NMR检测可以绘制出纤维组装内的结合位点
结论与展望
NMR光谱技术为早期关于淀粉样纤维和寡聚体结构和组装机制的开创性研究提供了基础。特别是固态NMR多年来在提供淀粉样纤维结构的原子级模型方面无与伦比，尤其是在Aβ的情况下。同样，溶液态NMR也为了解不可溶性纤维沉积前的早期蛋白质组装提供了宝贵的见解。几乎所有基于NMR的结构
CRediT作者贡献声明
David A. Middleton：撰写——原始草稿。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
CR刚果红
