核磁共振(NMR)是一种独特而强大的高分辨率检测生物分子的方法，因为它使科学家能够在生理条件下和细胞内研究蛋白质、寡核苷酸和核糖核酸(RNA)。蛋白质以其无与伦比的多样性和复杂性，为核磁共振技术提供了一个有趣的试验场。生物分子的三维结构决定了它们的生理功能，结构的改变和异常蛋白质构象的形成导致疾病。科学已经受益于核磁共振的能力，以阐明生物分子的构象和具有潜在药物用途的小分子的作用模式。

核磁共振确定生物分子结构

研究人员正在使用NMR作为一种方法来详细确定分子结构和相互作用，其长期目标是开发治疗疾病的潜在药物。这项工作的一个突出例子是确定了哺乳动物易位蛋白(TSPO)的高分辨率结构，该蛋白在脑损伤和炎症区域的表达增加。研究表明，将TSPO与一种名为PK11195的诊断配体耦合可以稳定其结构，从而可以将其结构确定为由五个螺旋组成的束。¹

18千道尔顿易位蛋白TSPO在线粒体膜中被发现，并介导胆固醇和卟啉进入线粒体。与TSPO在线粒体功能中的作用一致，TSPO配体在动物和人类中被用于各种诊断和治疗应用。利用核磁共振技术确定了与高亲和配体PK11195配合物在洗涤胶束中重构的哺乳动物TSPO的三维高分辨率结构。TSPO-PK11195结构由5个跨膜α螺旋组成的紧密束描述，形成一个接受PK11195的疏水口袋。配体诱导的TSPO结构稳定提示了刺激胆固醇转运到线粒体的分子机制。

高场核磁共振对这项工作至关重要，通过使用核Overhauser光谱(NOESY)来确定特定1H、13C和15N核的接近度。结果是更好地理解TSPO如何识别和结合诊断标志物和药物，具有明确的诊断和治疗意义。

神经退行性疾病

核磁共振还有助于研究涉及神经退行性疾病的蛋白质，特别关注三种多肽——tau、淀粉样蛋白-β和α-突触核蛋白——它们形成不溶性沉积物，是阿尔茨海默病和帕金森病的特征。例如，最近的工作研究了阿尔茨海默病患者大脑中tau不溶性沉积物形成的过程，研究小组确定液-液相分离是一个关键的驱动因素。²

多年来，核磁共振波谱学已被用于了解tau的结构，以及它的功能和作用机制。核磁共振为tau的结构多态性、不同位点的磷酸化、聚集抑制剂对tau分子结构的影响以及不溶性tau沉积物的纤维层提供了前所未有的详细信息。此外，还收集了关于tau与微管和肌动蛋白丝以及分子伴侣Hsp90相互作用的数据。

突破性的发现

液-液相分离状态下的异常蛋白质折叠、可溶性低聚物和淀粉样原纤维与神经退行性疾病的进展有关，tau和α-突触核蛋白的不溶性沉积是各种神经退行性疾病如阿尔茨海默病和帕金森病的病理特征。本研究通过使用高分辨率核磁共振波谱和生化实验进行生物物理分析，以及在阿尔茨海默病细胞/动物模型中的合作研究，为tau蛋白在阿尔茨海默病中的错误折叠和致病关联提供了机制见解。目的是确定小分子干预的新靶点/构象/机制，从而确定神经退行性疾病的诊断和治疗的新策略。

结合顺磁标记的二维1H/15N相关光谱(HSQC)揭示了相分离过程中tau的分子拥挤现象。这项研究的发现引发了全球不同实验室的广泛研究。

图1:通过核磁共振波谱揭示了阿尔茨海默病相关蛋白tau在液-液相分离冷凝物中的分子拥挤。(A)荧光显微镜观察到的tau液滴。(B) 5℃时tau微管结合域二维1H-13C HSQC谱的顺磁展宽(左;分散相)和37°C(右;相分离条件)，可以看到它的四个苏氨酸残基。在tau蛋白的两个半胱氨酸位点用MTSL标记其微管结合结构域。顺磁态和抗磁态分别用金色和黑色表示。基于创作共用许可，转载自ref.[2]。http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。

下一个步骤

核磁共振使科学家能够研究生物分子如何在溶液中移动，以及它在执行不同活动时所呈现的不同形状。此外，它还实现了分子的实时可视化，获得了关于它们如何执行功能以及如何被酶修饰的关键见解。这项开创性工作的目标是为那些患有神经退行性疾病的人提供更好的治疗。

1.Jaremko Ł， Jaremko M, Giller K, Becker S, Zweckstetter M.线粒体转位蛋白复合物与诊断配体的结构。科学．2014, 343(6177): 1363 - 1366。doi:10.1126 / science.1248725

2.Ambadipudi S, Biernat J, Riedel D, Mandelkow E, Zweckstetter M.阿尔茨海默病相关蛋白微管结合重复序列的液相分离τ。Nat Commun．2017; 8(1): 275。doi:10.1038 / s41467 - 017 - 00480 - 0

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