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Nat Commun:体外合成的Aβ蛋白在结构上不同于阿尔茨海默病患者脑源性Aβ蛋白

来源:本站原创 2019-11-17 11:50

2019年11月17日讯/生物谷BIOON/---阿尔茨海默病(AD)是一种进行性神经退行性疾病,其特征在于Aβ淀粉样蛋白原纤维(也称为Aβ原纤维)和tau蛋白衍生性的神经原纤维缠结物在神经元中沉积。一些观察结果表明Aβ肽对于触发疾病发作至关重要。Aβ前体蛋白(APP)编码基因的异常重复,以及APP基因或参与app加工的酶编码基因发生的突变可导致阿尔茨海默病。Aβ肽及其相关原纤维形成的实质斑块和血管淀粉样蛋白沉积物可导致脑淀粉样血管病(cerebral amyloid angiopathy, CAA)。Aβ沉积物可包含Aβ肽的不同一级结构变体。人们已对40和42个氨基酸残基的Aβ肽变体Aβ(1-40)和Aβ(1-42)进行了极其深入的研究。虽然Aβ(1-42)肽被认为是通过形成有毒的原纤维中间体而致病的,但是Aβ(1-40)会形成原纤维沉积物,从而对脑血管壁造成损伤。

当前关于Aβ肽的许多知识源自对Aβ原纤维和其他聚集物的分析,这些聚集物是由体外化学合成或重组表达的Aβ肽形成的。这些源自试管的Aβ聚集物通常富含β-折叠层。Aβ原纤维具有交叉β结构和对刚果红的亲和力,类似于从患者组织中纯化的淀淀粉样蛋白原纤维。体外形成的Aβ原纤维具有高度多态性,并且在由不同的Aβ肽变体形成的或在不同的原纤维形成条件下形成的不同原纤维形态中发现了一系列不同的肽构象。然而,到目前为止,尚不清楚这些结构中的哪些或这些结构中的任何一种是否正确反映了大脑内部的Aβ肽致病性结构。

在一项新的研究中,来自德国乌尔姆大学和图宾根大学等研究机构的研究人员分析了来自AD大脑组织的Aβ淀粉样蛋白纤维的结构形态。他们发现脑源性Aβ原纤维由多种原纤维形态组成。在原纤维形态I的情况下,他们获得了确定Aβ肽折叠的结构模型:根据两个相同的肽堆栈(peptide stack)的存在、右旋原纤维、假21螺旋对称性和原纤维极性,对原纤维进行分层组装。相关研究结果近期发表在Nature Communications期刊上,论文标题为“Cryo-EM structure and polymorphism of Aβ amyloid fibrils purified from Alzheimer’s brain tissue”。
图片来自Nature Communications, 2019, doi:10.1038/s41467-019-12683-8。

这种模型的稳健性通过它与得到实验验证的二维类平均值(2D class averages)和功率谱(power spectra)的对应关系、与三维图谱相比时的傅里叶壳层关联(Fourier shell correlation, FSC)值4.5和如实反映脑源性原纤维的右旋拓扑结构的Ψ/Φ角分布得到证实。然而,这种模型在多肽主链和氨基酸侧链的详细几何形状方面仍存在不确定性。这项研究中观察到的C形肽折叠是新颖的,不同于先前对体外形成的Aβ结构的描述。这种原纤维结构的独特特征是N末端弓形结构和氨基酸残基24-26处于中心位置,这不同于先前描述的Aβ原纤维:氨基酸残基30-42形成最中心的结构元素。

形态I中的Aβ肽折叠与在原纤维形态II和III时获得的三维图谱非常吻合。尽管后面两种形态下的三维图谱具有比形态I更低的分辨率,但是很明显,在这所有三种原纤维形态中,一般的原纤维结构都是保守的,并且它们的主要区别是原纤维的数量。这三种原纤维形态占这项研究中使用的样品中可见原纤维的大部分,这表明这种描述的结构代表了来自患者大脑的Aβ淀粉样原纤维。在这项研究中分析的所有三名AD患者的原纤维提取物中一致地发现了这三种原纤维形态。不过,不能排除其他Aβ原纤维形态也可能存在于大脑中,比如在受某些Aβ肽变体影响的患者大脑中。

人们已在Aβ肽序列中发现14种突变。据报道,其中的十二种突变可促进AD和/或CAA,而Ala2Thr突变具有保护性,His6Arg突变具有不确定的相关性。通过对应到这项研究描述的结构上,大多数突变都没有明显的稳定或不稳定作用。该观察结果与细胞生物学研究一致,后者表明它们可能会影响Aβ肽的蛋白水解生成。或者,某些突变可能只是在整体上简单地促进聚集而不是针对于特定的原纤维形态。只有三种突变会诱导或去除接触,它们可能会破坏这种结构的稳定性:Glu11Lys和Lys16Asn破坏了N末端弓形结构内的盐桥,而Leu34Val除去了C末端弓形结构内的亚甲基。然而,前两种突变被描述为对Aβ的蛋白水解过程起作用,而后一种突变促进而不是阻止CAA。

这项研究观察到的脑源性原纤维的一个特别有趣的结构特征是它们是右旋的。这种性质强烈不同于先前描述的体外形成的Aβ(1–40)和Aβ(1–42)原纤维的左旋,而且更明显的是,也显著不同于对反向扭曲的β-折叠片表现出强烈偏爱性的球形蛋白质结构。这项新的研究发现了第二种与体内右旋淀粉样蛋白原纤维相关的人致病性原纤维蛋白。第一种是人类系统性AA淀粉样变性病中常见的血清淀粉样蛋白A(serum amyloid A protein)变体。尽管这种右旋的分子起源尚待确定,但是Aβ和AA淀粉样蛋白原纤维的拉马钱德兰图(Ramachandran plot)中的Ψ/Φ对分布暗示着原纤维蛋白的折叠诱导了右旋。与这种观点相一致的是,这项研究中描述的Aβ折叠与先前描述的左旋Aβ原纤维中观察到的Aβ肽折叠基本不同。

这些发现强调了在研究疾病的结构基础时,使用源自患者的淀粉样蛋白原纤维的重要性。在此之前,针对其他几种原纤维蛋白的研究也得出了类似的结论:它们在体外产生的原纤维结构在形态上不同于它们在人体中的致病性形式。然而,体外形成的原纤维一定与患者体内的原纤维不同可能是一个过早的结论。相反,这些作者得出结论,在这些特定情况下观察到的差异反映了体外使用的原纤维形成条件与体内的原纤维形成条件不完全匹配。结果就是它们导致不同的原纤维形态,这与淀粉样蛋白结构由宿主和特定错误折叠蛋白决定的观点相一致。

连同近期的一些研究,这项新研究的数据支持疾病病理学起源于特定原纤维形态或原纤维蛋白构象的概念。首先,尽管通过先前的体外Aβ原纤维化研究已明确确定Aβ肽能够采用多种形态学上不同的原纤维结构,但是这项新的研究表明疾病病理学是仅与某些结构上相关的原纤维形态相关。这些原纤维形态在呈现相同神经病理学特性的患者的原纤维提取物中始终存在。对于其他原纤维系统,包括人类ATTR和AA淀粉样变性以及tau依赖性神经病理学,也已有类似的观察报道。即便受到全身性AA淀粉样变性影响的不同小鼠也具有一致的原纤维形态。

其次,近期对小鼠AA淀粉样蛋白原纤维的低温电镜(cryo-EM)结构提供了证据表明某些小鼠品系对系统性AA淀粉样变性的抵抗性不是由血清淀粉样蛋白A蛋白变体无法形成交叉β原纤维引起的,而是由它们与病理相关的原纤维形态不兼容。

第三,疾病的不同变型可以与不同的原纤维形态相关。这样的例子有遗传性ATTR淀粉样变性中的A型和B型淀粉样蛋白原纤维,系统性AA淀粉样变性中的“常见”变型和“血管”变型中的不同原纤维,或者不同形式的神经变性中不同的tau原纤维形态。

这些观察的结果是,用适当的选择性抑制剂靶向特定的原纤维形态可能是干扰疾病过程的一种有吸引力的策略。这项新的研究提供了关于Aβ的精致结构信息。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Marius Kollmer et al. Cryo-EM structure and polymorphism of Aβ amyloid fibrils purified from Alzheimer’s brain tissue. Nature Communications, 2019, doi:10.1038/s41467-019-12683-8.
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