《Nature Communications》：Cryo-EM structures of light chain fibrils from abdominal fat biopsies of multiple myeloma patients
编辑推荐：
为解决多发性骨髓瘤(MM)患者体内轻链(LC)淀粉样纤维的结构与形成机制尚不明确的问题，研究人员对取自活体患者腹部脂肪活检样本中的LC纤维进行了结构解析研究。他们运用冷冻电镜(cryo-EM)技术，成功确定了三种不同于AL淀粉样变性症患者中已知结构的LC纤维形态，并揭示了可能由高蛋白浓度驱动的独特纤维化机制。该研究为理解MM中的LC纤维形成提供了分子层面的关键见解，并为基于易获取脂肪样本的MM诊断提供了结构基础。
在我们的身体里，免疫系统产生抗体来抵御外敌，抗体中的轻链(LC)部分，本是保卫健康的“战士”。然而，在多发性骨髓瘤(MM)这一血液恶性肿瘤中，浆细胞异常增殖，产生大量异常轻链。这些“失控的战士”可能聚集成被称为淀粉样纤维的顽固“军团”，沉积在心脏、肾脏等关键器官，引发一种名为系统性轻链(AL)淀粉样变性的严重并发症，显著加剧疾病负担，甚至危及生命。理解这些“军团”——即淀粉样纤维——的精确三维结构，是揭示其形成机制、进而开发针对性诊断和疗法的关键。然而，长期以来，科学家们对这一领域，特别是直接来自活体多发性骨髓瘤患者体内的轻链纤维结构，知之甚少。过去的结构研究多依赖于体外重组的蛋白或来自AL淀粉样变性患者的样本，而对于MM患者体内真实形成的、作为疾病直接产物的纤维结构，却像笼罩在一团迷雾之中。这些纤维与AL淀粉样变性中的纤维有何异同？它们是如何在患者体内一步步“组装”起来的？为了拨开这层迷雾，并为临床上针对MM进行精准的生物诊断寻找新路径，一项突破性的研究应运而生。
这项研究的关键创新之处在于其材料来源和研究手段。研究人员没有采用传统的体外模拟方法，而是直接从两位活体多发性骨髓瘤患者的腹部脂肪组织中，提取了真实形成的轻链淀粉样纤维。获取患者样本后，他们运用了当前结构生物学的“利器”——冷冻电镜(cryo-EM)技术。这项技术能够将样品在极低温下迅速冷冻，使其保持在接近天然的水合状态，然后利用电子束穿透样品，采集成千上万张二维投影图像，最终通过复杂的计算机三维重构算法，解析出生物大分子，如这里研究的淀粉样纤维，在原子或近原子分辨率下的三维结构。这种方法特别适合研究像淀粉样纤维这样难以结晶的蛋白质组装体。
研究人员利用上述方法，成功解析了来自患者样本的三类不同的轻链淀粉样纤维形态（文中标注为形态I、形态II和形态III）的高分辨率结构。每类结构都展现出一个共同的核心特征：纤维由不断重复的轻链蛋白原纤维(protofilament)螺旋缠绕而成，形成一根根中空的“绳索”。然而，与以往报道的、主要来自AL淀粉样变性患者的轻链纤维结构相比，本次研究中发现的三种形态在分子构造上存在显著差异。
结构对比揭示独特纤维化机制。通过将新解析的MM患者来源的纤维结构与已知的AL淀粉样变性来源的纤维结构进行详细比对，研究人员发现，二者在轻链蛋白如何折叠、如何堆叠成原纤维、以及原纤维之间如何相互缠绕等方面，都存在根本性的不同。这强烈暗示，在多发性骨髓瘤和系统性轻链淀粉样变性这两种紧密相关但又有区别的疾病中，驱动轻链蛋白聚集成淀粉样纤维的分子机制可能大相径庭。
计算分析指向浓度驱动假说。为了探究这种差异背后的可能原因，研究人员进一步进行了计算分析。他们发现，本研究中解析的MM来源纤维，其结构特征与在高蛋白质浓度环境下更易形成的纤维类型更为相似。这引出了一个重要的假说：在多发性骨髓瘤患者体内，由于恶性浆细胞大量增殖，产生了异常高浓度的轻链蛋白。这种“拥挤”的微观环境，可能作为一种关键的致病因素，选择性地驱动轻链蛋白沿着一条不同于AL淀粉样变性症的路径进行聚集和纤维化，最终形成了本次研究所观测到的独特纤维结构。
归纳整个研究，其核心结论在于，首次直接利用活体多发性骨髓瘤患者（而非AL淀粉样变性患者）的腹部脂肪活检样本，通过冷冻电镜技术解析了其体内轻链淀粉样纤维的高分辨率三维结构。研究发现了三种前所未有的纤维形态，它们在结构上显著区别于已知的AL相关纤维。结合结构比较和计算分析，研究提出在多发性骨髓瘤的病理背景下，轻链的纤维化可能遵循一种独特的机制，其中由疾病本身导致的高浓度轻链蛋白环境扮演了关键的驱动角色。这项工作的意义深远。首先，它填补了多发性骨髓瘤领域轻链淀粉样纤维结构知识的空白，为理解该并发症的分子基础提供了至关重要的见解。其次，它揭示了MM与AL淀粉样变性在纤维形成机制上可能存在的根本差异，这对于未来开发区分两种疾病状态或针对特定纤维形态的疗法具有指导意义。最后，也是极具临床转化潜力的一点，该研究证明了利用相对易于获取的腹部脂肪穿刺活检样本，结合高分辨结构解析技术，对活体患者进行分子层面诊断的可行性，为发展基于纤维结构特征的、新型无创或微创生物诊断方法奠定了坚实的结构基础。这项研究已发表在《自然-通讯》(Nature Communications)期刊上，为相关领域的研究者和临床医生打开了一扇观察疾病微观世界的新窗口。
