揭露LRRK2内部结构域之间相互组装及活性调节的分子机制
帕金森病（Parkinson’s disease, PD）是第二常见的神经系统退行性疾病，在全球老年人群中患病率高达1-2%。2004年，Paisan-Ruiz等首次发现富亮氨酸重复激酶2（LRRK2）与帕金森病高度相关，自此该激酶成为科学界的研究热点之一。LRRK2基因的突变是导致家族性（~5%）和偶发性（1%）帕金森病的关键原因，因此，LRRK2也成为治疗该疾病的潜在药物靶点。
LRRK2属于ROCO超家族的一员。LRRK2在体内参与多种细胞生理过程，包括自噬、神经突增生调控、突触形态发生、膜运输、蛋白质的合成以及一些线粒体疾病。
LRRK2蛋白全长包含有2527个氨基酸残基，由7个结构域所构成，组成较为复杂，其内部结构域之间的组装和功能调节一直不清楚。目前，研究人员鉴定到超过250个LRRK2基因突变，其中一些致病突变体激酶活性明显增强（如最常见的LRRK2G2019S突变体）。LRRK2蛋白在细胞内以多种形式存在，包括单体、二聚体以及寡聚体，不同聚集状态的活性也有所差别。某些LRRK2致病突变体可以在微管表面形成纤维丝结构，从而影响微管相关的生理代谢过程，引起相关疾病的发生。在正常生理条件下，LRRK2能被小G蛋白Rab29招募到反式高尔基体网络附近并激活，从而进一步地调节下游生理活动。
为了更好的了解LRRK2的功能和解答困扰该领域多年的生物学问题：LRRK2内部结构域之间是如何组装并调节其催化活性的？2021年6月8日，美国St. Jude Children’s Research Hospital的孙吉课题组在Cell上发表了题为“Structural analysis of the full-length human LRRK2”的文章。该文章利用单颗粒冷冻电镜技术分别解析了LRRK2单体、二聚体和突变体G2019S的结构，并以此为基础阐释了LRRK2内部结构域之间相互组装及活性调节的分子机制。
首先，通过解析全长形式人源LRRK2的高分辨率结构（失活状态），文章就LRRK2内部结构域之间的组装及其失活状态做了深入的阐述。LRRK2单体的结构呈现出“J”型，其LRR、Roc、COR以及WD40结构域分布在Kinase催化结构域的周围，分析发现，LRR结构域的“hinge helix”和WD40结构域的“C-terminal helix”对于维持LRRK2失活状态起着关键的作用。此外，LRR结构域缠绕在kinase结构域的ATP结合口袋上，使得其无法发挥活性。通过解析LRRK2G2019S致病突变体的结构，发现该结构与LRRK2WT的结构基本一致，暗示该突变体可能通过改变其酶动力学性质而增强其活性，同时为以该突变体为靶点进行药物设计提供了模板。
除此之外，该工作还解析了由COR结构域介导的LRRK2二聚体的结构，揭示了COR-COR相互作用界面的详细结构信息。通过活细胞成像分析，鉴定到LRRK2M1732R突变体可以成功阻断LRRK2在细胞内微管表面形成纤维丝结构，表明该二聚体的结构具有明显的生物学意义，同时为药物设计提供了思路。
综上，该研究就LRRK2的结构，LRRK2结构域的组装及活性调节等问题做了结构上的阐释，为LRRK2功能的系统研究和基于LRRK2蛋白的药物研发提供了结构基础。
据悉，St. Jude Children’s Research Hospital的孙吉研究员为该文章的通讯作者，冷冻电镜平台的Alexander Myasnikov博士和孙吉实验室的博士后朱涵文为该论文的共同第一作者。此外，孙吉实验室的Patricia Hixson博士、Junmin Peng研究员及其实验室的Boer Xie和Kaiwen Yu博士、细胞和组织成像中心的Aaron Pitre博士也为该工作做出了重要的贡献。
*文章的通讯作者孙吉研究员于2019年9月加入St. Jude Children’s Research Hospital （https://www.stjude.org/sun）并建立了自己的研究团队，从事与重大疾病相关的膜蛋白的功能和结构药理学研究。目前实验室需要招聘1-2名博士后，有兴趣的同学可以发送邮件至ji.sun@stjude.org进行咨询。期待你们的加入！
图1. LRRK2单体（A）和二聚体（B）的冷冻电镜三维结构。
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