Strukturno različiti polimorfi Tau agregata otkriveni infracrvenom spektroskopijom u nanoskali

Sažetak

Agregacija tau proteina igra središnju ulogu u nekoliko neurodegenerativnih bolesti zajednički poznatih kao tauopatije, uključujući Alzheimerovu i Parkinsonovu bolest. Tau se pogrešno savija u fibrilarne beta-list strukture koje sačinjavaju uparene spiralne filamente pronađene u neurofibrilarnim čvorovima. Poznato je da mogu postojati značajne strukturne heterogenosti u tau agregatima povezanim s različitim bolestima.

Međutim, dok su strukture zrelih fibrila proučavane, strukturne distribucije u tau agregatima u ranoj fazi nisu dobro shvaćene. U ovoj studiji koristimo AFM-IR kako bismo istražili spektre pojedinačnih tau fibrila na nanoskali u različitim stupnjevima agregacije i pokazali prisutnost višestrukih fibrilarnih polimorfa koji pokazuju različite sekundarne strukture. Nadalje pokazujemo da zrele fibrile sadrže značajne količine antiparalelnih beta listova. Naši rezultati su prva primjena infracrvene spektroskopije u nanoskali na tau agregate i naglašavaju obećanje prostorno razlučene infracrvene spektroskopije za istraživanje agregacije proteina.

Alzheimerova bolest je neurodegenerativna bolest s visokom incidencijom, a njezina glavna patološka obilježja su ozbiljan gubitak neurona i sinapsi te nakupljanje -amiloida (-amiloida) i Tau proteina (proteina povezanog s mikrotubulima) u mozgu. Ovi proteini tvore zrele fibrilne strukture tijekom napredovanja bolesti, a proteinska vlakna ove strukture mogu dovesti do smrti neurona i kognitivnog pada. Zrele fibrile igraju ozbiljniju ulogu u formiranju bolesti od -amiloida i Tau proteina. To je zato što je stvaranje zrelih fibrila terminalna točka patogenog mehanizma, što dodatno pogoršava gubitak neurona i sinapsi tijekom progresije bolesti i ubrzava progresiju bolesti. Stoga, za istraživanje i razvoj liječenja Alzheimerove bolesti, istraživanje i istraživanje zrelih fibrila također je postalo žarište istraživanja. U našem istraživanju otkrili smo da je Cistanche učinkovit u liječenju Alzheimerove bolesti. Cistanche sadrži veliku količinu antocijana i flavonoida koji imaju snažno antioksidativno djelovanje. Ovi sastojci mogu pomoći smanjiti proizvodnju slobodnih radikala i zaštititi moždane stanice od oksidativnog oštećenja, čime se smanjuje mogućnost neurodegeneracije.

Click cistanche deserticola dodatak

Ključne riječi

Tau; agregacija; Alzheimerova bolest; AFM-IR; IR spektroskopija nanomjera; AFM; struktura fibrila; antiparalelni beta listovi.

Pogrešno savijanje i agregacija tau proteina u fibrilarne nakupine patološko je obilježje mnogih neurodegenerativnih bolesti koje se nazivaju tauopatije, uključujući Alzheimerovu i Parkinsonovu bolest1-5. Tau je protein povezan s mikrotubulama (MT) koji se pogrešno savija u netopljive stanične naslage koje se nazivaju neurofibrilarni čvorovi (NFT)1-2, 5-6.

Dok su rani dokazi ukazivali na potencijalnu neurotoksičnost NFT-ova, sada se vjeruje da su prefibrilarni oligomerni sklopovi glavne neurotoksične vrste3, 5-6. Razjašnjenje specifičnih putova fibrilizacije tau može dati uvid u mehanizme bolesti i otkriti potencijalne terapijske ciljeve za otkrivanje lijekova. Uloženi su značajni napori da se razumije agregacija tau i uloga različitih čimbenika koji moduliraju agregaciju1-2, 7-18. Također je istražena uloga drugih amiloidnih proteina, npr. amiloida beta u mijenjanju tau konformacije19-21. Poznato je da tau filamenti u NFT imaju unakrsnu beta strukturu sličnu amiloidnim plakovima. Međutim, sveobuhvatno razjašnjenje strukturne evolucije tau koja rezultira stvaranjem fibrila ostaje izazov.

U ljudskom mozgu identificirano je šest različitih tau izoformi koje se razlikuju s obzirom na broj aminokiselinskih ostataka2, 5, 22. Dominantna izoforma i fibrilarna struktura mogu varirati s bolešću2, 22. Sve tau izoforme veliki su polipeptidi i stoga pokazuju strukturne fleksibilnost. Stoga je značajan dio istraživačkog interesa usmjeren na kratke peptide koji predstavljaju domene vezanja mikrotubula, koje su kritične za tau agregaciju23-25 umjesto na proteine ​​pune duljine. Nadalje, tau i njegove izoforme pokazuju polimorfizam: u biti isti peptid agregira u različite fibrilarne strukture, koje se razlikuju ne samo u pogledu morfologije, već i u pogledu molekularnog rasporeda8-9, 26-27. Svi gore navedeni čimbenici čine izolaciju i strukturnu analizu specifičnih tau agregata formiranih u različitim fazama agregacije teškim zadatkom. Priroda agregacije amiloida općenito je takva da stvara mnoštvo agregiranih vrsta koje su prolazne i međusobno su u ravnoteži. Nedavno je cryo-EM uspješno primijenjen za rješavanje tau fibrilarnih struktura; međutim, njegove primjene ostaju ograničene na esencijalno zrele fibrile koji su krajnja točka agregacije, a ne intermedijeri9-10.

Konkretno, strukturni aspekti tau intermedijera u ranoj fazi nisu dobro shvaćeni. Zlatni standard za određivanje sekundarne strukture agregata nalik amiloidu općenito su spektroskopske tehnike poput nuklearne magnetske rezonancije čvrstog stanja (ssNMR) i infracrvene spektroskopije Fourierove transformacije (FTIR)15, 28-31. Međutim, niti jedna od ovih tehnika nije sposobna pružiti prostornu rezoluciju na razini pojedinačnih agregata, a bez prostorne rezolucije teško je nedvosmisleno pripisati spektralne značajke određenim agregatima ili morfologiji ili odrediti koje prolazne vrste evoluiraju u određenu morfologiju. U biti nije moguće odrediti proizlaze li opažene spektralne značajke iz određenog agregacijskog stanja ili statističke mješavine različitih konformacija.

Kao rezultat toga, poznate su samo prosječne strukture oligomera i fibrila, a heterogenosti strukturnih varijacija unutar svakog stanja, ako postoje, nisu dobro shvaćene. Kako bismo unaprijedili svoje znanje o agregaciji tau i drugih amiloidogenih proteina pod različitim uvjetima, neophodno je razumjeti strukturu svakog člana konformacijske skupine u različitim fazama agregacije. U proteklom desetljeću došlo je do razvoja novih pristupa za poboljšanje prostorne razlučivosti vibracijske spektroskopije koji kombiniraju infracrvenu spektroskopiju s AFM-om kako bi se postigla nanometarska razlučivost.

Jedan od nedavno razvijenih pristupa temeljenih na AFM-u iskorištava fototermalno induciranu rezonanciju (PTIR), gdje se lokalna toplinska ekspanzija koja proizlazi iz infracrvene apsorpcije uzorka očitava AFM vrhom 32-35. Fototermalni AFM-IR tako zaobilazi ograničenja rezolucije u konvencionalnoj IR mikroskopiji korištenjem vrha AFM sonde za mjerenje infracrvene apsorpcije. Apsorpcija zračenja putem rezonantne ekscitacije infracrvenog moda dovodi do toplinskog širenja uzorka, stvarajući impulsnu silu na AFM konzoli. Rezultirajući odziv AFM sonde proporcionalan je infracrvenoj apsorbanciji, a skeniranje valne duljine daje infracrveni apsorpcijski spektar koji odgovara području uzorka u nanoskali (Slika 1).

Stoga, za razliku od konvencionalnih optičkih tehnika, AFM-IR može ispitati nanostrukture s kemijskim detaljima bez presedana i kombinira najbolje iz oba svijeta: prostornu rezoluciju AFM-a i kemijsku rezoluciju infracrvenog spektra. Iako je AFM-IR korišten za proučavanje agregata amiloidogenih peptida kao što su beta-amiloid i alfa sinuklein35-38, nikada nije primijenjen za proučavanje agregacije tau. U ovoj studiji koristimo mogućnosti AFM-IR i istražujemo fibrile tau-441 izomera u različitim fazama agregacije kako bismo pokazali da u ranim fazama agregacije postoji značajna heterogenost u fibrilarnoj strukturi čak i bez značajnih varijacija u morfologiji. Naši rezultati po prvi put pokazuju da mogu postojati temeljne razlike u sekundarnoj strukturi fibrila koje pokazuju istu morfologiju. Opažaju se višestruki strukturno različiti polimorfi fibrila; jedan strukturno uređeniji od ostalih, koji je također prolazan i ne nalazi se u zrelim fibrilama. Nadalje, također pokazujemo da tau fibrile mogu sadržavati antiparalelne beta listove, koji obično nisu povezani s fibrilarnom morfologijom.

Kako bismo razumjeli strukturnu evoluciju fibrila s vremenom, istraživali smo fibrile u različitim vremenskim točkama agregacije, naime nakon 3, 5, 10 i 15 dana agregacije. Za svako mjerenje, alikvoti su položeni na zlatne podloge i osušeni pod dušikom. AFM topografske slike tau fibrila nakon 3 dana inkubacije na 37 stupnjeva prikazane su na slici 2. Slika 2A prikazuje reprezentativnu nakupinu fibrila. Više AFM slika pojedinačnih fibrila u svim različitim stadijima agregacije prikazano je na slici S1-S5. Kako bi se dobila ukupna distribucija visine fibrila u uzorku, izmjerene su vrijednosti visine pojedinačnih fibrila i iscrtane kao histogram (Slika 2B). Podaci su opremljeni Gaussovom varijantom kako bi se odredila srednja vrijednost visine od 6,3±0,7 nm. AFM slike 5-dnevnih fibrila i odgovarajuća analiza visine prikazani su na slici 2C-D. Promatraju se pojedinačne fibrile zajedno s nakupinama fibrila. Visina fibrila je 6,5 ± 0,9 nm, što je i dalje približno visini 3-dnevnog uzorka fibrila.

Zatim su ispitane tau fibrile s {{0}}dnevnom inkubacijom (Slika 2E-F). Na površini zlata uočene su pojedinačne fibrile (Slika 2E). Prosječna visina 10-dnevnih fibrila je 7,2±1,0 nm. Zrele tau fibrile, nastale nakon 15 dana agregacije, prikazane su na slici 2G. 15-Dnevne fibrile su dugačke i zapetljane jedna s drugom stvarajući morfologiju poput mreže. U ovoj fazi agregacije, zasebne fibrile više nisu vidljive. Prosječna visina fibrila je 42,5±40,5 nm (Slika 2H), što je značajno više u usporedbi s ostalim fibrilima koji su generirani u ranijim vremenskim točkama. Široka distribucija visine fibrila ukazuje na to da zrele fibrile imaju različite vrijednosti visine, za razliku od uske distribucije ranijih fibrila. Ovdje promatrane fibrilarne strukture u skladu su s prethodnim AFM izvješćima o tau agregaciji11, 39-40. Drugo važno zapažanje iz AFM mjerenja je da su tau fibrile nastale u otopini homogene u svojoj morfologiji.

Ravne su, bez ikakvih grananja ili uvijenih konformacija, s minimalnim promjenama visine unutar jedne fibrile. Sazrijevanjem fibrila vidimo povećanje visine fibrila, ali se ne razvijaju nove morfologije. To se može vizualizirati na slici S5, gdje su 3-dnevne i 10-dnevne morfologije fibrila prikazane u karti duginih boja, pokazujući da imaju minimalne promjene visine unutar jednog fibrila. Dok fibrile ne pokazuju nikakve značajne morfološke razlike, IR spektri fibrila na nanoskali sadrže značajne razlike.

Konkretno, za 3-dnevne fibrile promatramo tri različita polimorfa fibrila s različitim spektrima. Za 5-dan, 10-dan i 15-dan sazrele fibrile, opažamo samo jednu konformaciju. Napominjemo da se tipično polimorfizam koristi za označavanje morfološki različitih fibrila koje također mogu biti različite s obzirom na molekularnu strukturu2, 26; u našem slučaju morfologija je nepromjenjiva, ali se fibrile mogu kategorizirati u tri različita podtipa na temelju njihovih spektara. Radi jasnoće, u ostatku ovog članka ove strukture/polimorfe nazivamo Tipom 1, Tipom 2 i Tipom 3. Reprezentativni infracrveni spektri u području amida-I prikazani su na slici 3. Spektri su prosjek višestrukih mjerenja uzduž duljine fibrila. Više spektara navedeno je u popratnim informacijama (slika S6). Spektar 3-dnevnog tipa fibrila-1 sadrži istaknuti vrh na ~1628cm−1 i manje rub na ~1670cm−1.

Osim toga, slaba traka može se vidjeti na ~1740 cm-1. Spektar tipa fibrila -2 značajno je drugačiji i sadrži prošireni asimetrični amid-I pojas sa središtem na ~1650 cm-1. Nema značajnog intenziteta iznad 1700cm−1. Za tip fibrila -3, opažamo amid-I spektar koji je vrlo sličan tipu -2, s jednom velikom iznimkom: prisutnost istaknute trake na ~1738 cm-1. Zanimljivo je primijetiti da spektri fibrila, osim polimorfa tipa -1, ne sadrže oštar vrh na tipičnim frekvencijama beta lista od ~1630 cm−1, iako je poznato da su fibrilarni agregati paralelni beta u registru plahte. Šira širina linije uočena za fibrile tipa 2 i tipa 3, uz nedostatak oštrog vrha na frekvencijama beta lista, ukazala bi na prisutnost strukturnog poremećaja.

Zanimljivo je da nismo pronašli nikakvu veću varijaciju u spektrima duž jedne fibrile (Slika S5), što ukazuje da su fibrile dobro definirane strukture i imaju intrinzične strukturne poremećaje. U ovom kontekstu treba napomenuti da postoje varijacije u spektrima duž fibrila, posebno za fibrile tipa -3, što se dokazuje većom spektralnom standardnom devijacijom (Slika 3). Međutim, glavna razlika između triju podvrsta fibrila je u smislu intenziteta traka na 1628cm-1 i 1738cm-1. Gore navedene varijacije ne utječu na klasifikaciju fibrila u jednu ili drugu podvrstu.

5-dan, 10-dan i 15-dan zrele fibrile ne pokazuju nikakvu spektralnu heterogenost, a uočen je jedan polimorf za svaki slučaj (Slika 3). Spektar 5-dnevnih fibrila blago je pomaknut (~6cm−1) prema višim valnim brojevima u usporedbi s fibrilama tipa 2 i 3, a također pokazuje povećanu širinu linije. 10-dan i 15-dan zrele fibrile imaju spektre koji su slični onima fibrila tipa 2, pri čemu su potonji pomaknuti prema višim valnim brojevima za ~4cm−1. Sve 5-dnevne, 10-dnevne i 15-dnevne fibrile nemaju jasan vrh iznad 1700 cm-1.

Ključni uvid iz spektra fibrila je da tijekom ranih faza sazrijevanja može postojati značajna heterogenost u strukturi fibrila, a nakon sazrijevanja fibrile evoluiraju u jednu strukturu. Međutim, samo pregledom spektra teško je točno razumjeti točne temeljne strukturne promjene. Stoga, kako bi se dobio daljnji uvid u spektralne i strukturne varijacije između promatranih polimorfa, spektri su dekonvoluirani kroz spektralno prilagođavanje. Amid I spektri proteina obično sadrže doprinose različitih sekundarnih struktura41-42.

Budući da sekundarna struktura koja pridonosi svakom od promatranih spektara nije točno poznata a priori, okrenuli smo se spektru druge derivacije kako bismo odredili broj vrhova (Slika S8). Korištenje druge derivacije spektralnih podataka za određivanje temeljnih vrhova dobro je poznata praksa u spektroskopiji43-44. Koristili smo broj vrhova u spektru druge derivacije i njihove odgovarajuće frekvencije kao početnu točku za spektralno prilagođavanje. Rezultati prilagodbe za srednje spektre zrelih fibrila 3-dan, 5-dan, 10-dan i 15-dan prikazani su na slici 4A-F. Postotni doprinosi prilagođenih vrhova ukupnom spektru prikazani su na slici 4G-L. Spektri su normalizirani na maksimalni intenzitet, ali to jednako mjeri svaki podpojas za dani spektar. Stoga na relativne populacije traka, kao što je prikazano na slikama 4G-L, normalizacija ne utječe. Parametri prikladnosti navedeni su u pratećoj tablici 1.

Za tip-1 3-dnevnih fibrila, tri Gaussove trake odgovaraju oba spektra s visokom vjernošću, sa središnjim frekvencijama na 1628cm−1, 1659cm−1 i 1670cm−1. Spektar fibrila tip-2 3-dana odgovara pet osnovnih pojaseva, s frekvencijama 1626cm−1, 1642cm−1, 1662cm−1, 1680cm−1 i 1694cm−1. Kao što se i očekivalo zbog spektralne sličnosti, fibril tipa-3 uklapa se u istih pet traka, ali također zahtijeva dodatni vrh na 1736 cm-1. Proširujući našu analizu spektralne dekonvolucije na zrelije fibrile, vidimo da 5-dan, 10-dan i 15-dan fibrile sve u biti sadrže istu distribuciju sekundarnih struktura. Svi 5-dnevni, 10-dnevni i 15-dnevni spektri fibrila zahtijevaju šest vrpci za optimalno uklapanje, pri čemu se vrh visokog valnog broja pomiče na ~1725cm−1, a ostalih pet vrhova su slično fibrilama tipa-2.

1626-1628cm−1 vrh u svim prilagodbama može se pripisati beta pločama, što ukazuje da svi fibrilarni polimorfi sadrže strukturu beta ploča28, 30, 41-42. Vrh od 1642cm-1 tipično proizlazi iz slučajnih zavojnica, dok se vrhovi na ~1660cm−1 i 1682cm−1 obično pripisuju beta zavojima 41-42. Uzeto zajedno, spektralna dekonvolucija pokazuje da nakon sazrijevanja postoji više poremećaja u strukturi fibrila, što je vidljivo povećanjem vrha nasumične zavojnice u odnosu na vrh beta-listova. Prisutnost beta zavoja i njihov relativni porast, što dokazuje intenzitet 1660cm−1 podešenog vrha, u skladu je s očekivanom križnom beta strukturom fibrila. Prisutnost traka na ~1694cm−1 i ~1725cm−1, međutim, donekle je neočekivana. Prvo se obično pripisuje antiparalelnim beta listovima41-42, 45 i primijećeno je u beta amiloidu45-46 i alfa-sinukleinskim oligomerima38. Dok su strukture antiparalelnih beta listova poznate za oligomerne amiloidne sklopove, njihovo postojanje u fibrilima rijetko je uočeno. 2D IR studije identificirale su antiparalelne beta-list potpise u sinukleinskim fibrilama47; specifični mutanti beta-amiloida također pokazuju antiparalelnu beta-list strukturu47. Naši su rezultati, koliko znamo, prvo opažanje antiparalelnih beta ploča za tau agregate. Vrh antiparalelne beta ploče upadljivo je odsutan u polimorfu tipa -1. Ovo sugerira da fibrili mogu usvojiti ili krutu dobro uređenu strukturu (tip polimorfa-1) koja je primarno paralelna beta ploča, ali povećana strukturna fleksibilnost i/ili poremećaj mogu dovesti do stvaranja antiparalelnih beta ploča.

Međutim, važno je napomenuti da se vrh od ~1626cm−1 tipično ne pomiče značajno između paralelnih i antiparalelnih beta slojeva. Naši rezultati, stoga, ne isključuju mogućnost paralelnih beta listova u bilo kojoj od fibrila gdje se opaža vrh ~1694 cm−1. Vrh na ~1725cm−1 ne može se pripisati vibraciji amida okosnice, a najvjerojatnije proizlazi iz rastezanja COOH bočnog lanca karboksilnih kiselina41-42. Nedavni rad Pinta i suradnika pokazao je strategije za izračunavanje IR spektra karbonilne vrpce COOH skupine asparaginske kiseline korištenjem hibridnih kvantnih/klasičnih računalnih metoda48. Njihova otkrića su pokazala da se protonirani bočni lanac pojavljuje u području od 1700-1780 cm−1 i pomak frekvencije od 5-10 cm−1 može se koristiti kao sonda za interakciju između bočnog lanca i okosnica. Peptidna sekvenca Tau 441 ima više karboksilnih kiselina, uključujući ponovljene domene koje se vežu na mikrotubule, za koje se pokazalo da imaju veliku sklonost stvaranju beta ploča5-6.

AFM-IR mjerenja drugih amiloidnih agregata identificirala su slične vrhove36, koji su pripisani karboksilnim kiselinama. Međutim, ova vrpca karboksilne kiseline je istaknutija u nekim fibrilama nego u drugima: njen doprinos ukupnom piku najznačajniji je samo za tip-3 3-dnevne fibrile i 5-dnevne fibrile, kao što se može vidjeti u Slika 4. U infracrvenoj spektroskopiji dipolarno poravnanje u uređenim strukturama često dovodi do povećanog intenziteta apsorpcijskih vrpci; relevantan primjer je formiranje uređenih beta listova od neuređenih peptida, što dovodi do oštrih intenzivnih vrpci na ~1625cm−1. Dakle, prisutnost intenzivnih traka karboksilne kiseline vjerojatno proizlazi iz strukturnog uređenja bočnih lanaca glutaminske i asparaginske kiseline. Međutim, postoji više karboksilatnih bočnih lanaca u tau-446, a njihove specifične molekularne interakcije i orijentacije nisu točno poznate za strukture koje se ovdje promatraju.

Nadalje, intenzitet u AFM-IR spektru proporcionalan je FTIR32-33, ali numerički faktor korelacije između AFM-IR i FTIR nije prijavljen za vibracije karboksilne kiseline. Stoga bi korelacija vršnog intenziteta sa specifičnim karboksilnim bočnim lancima zahtijevala teorijske izračune/razmatranja AFM-IR odgovora koji su izvan opsega ovog rada. Također je važno napomenuti u ovom kontekstu da se AFM-IR mjerenja razlikuju od izotropnih infracrvenih spektara dobivenih u otopini, a spektri izmjereni u AFM-IR su konvolucija laserske polarizacije i konfiguracije osvjetljenja49-50. Stoga je teško precizno identificirati strukturne temelje ovog vrha i potrebno je više istraživanja kako bi se utvrdilo njihovo točno podrijetlo. Cilj nam je to riješiti u budućem radu.

Agregacija tau izomera in vitro je detaljno istražena; međutim, struktura ranih i/ili prolaznih intermedijera nije dobro poznata. Utvrđeno je da su oligomerne vrste u agregaciji amiloidnog proteina ili na ili izvan puta prema stvaranju fibrila. Budući da se vjeruje da su fibrili krajnja točka agregacije, fibrilne strukture, uključujući njihove različite polimorfe, općenito se ne smatraju prolaznim ili izvan putanje. Poznato je da postoji heterogenost u fibrilarnoj strukturi, ali je poznato da se pojavljuje istodobno s morfološkim varijacijama2, 8, 26, 51. Naši su rezultati jedinstveni po tome što ukazuju na varijacije u sekundarnoj strukturi fibrila čak i kada nema vidljivih morfoloških razlika . Napominjemo da, osim tipa fibrila -1, svi fibrilarni spektri sadrže isti skup temeljnih vrpci, što ukazuje da je fibril tipa -1 prolazni intermedijer koji na kraju prolazi kroz strukturnu reorganizaciju sazrijevanjem. Druga je mogućnost da ovi uređeni paralelni polimorfi beta-listova predstavljaju strukturu 'izvan puta', ona se mora raspasti u monomerne ili prefibrilarne agregate da bi se reintegrirala u fibrile 'na putu'. Nismo pronašli nikakvu značajnu prisutnost nefibrilarnih naslaga u ispitivanim uzorcima; međutim, prisutni su imali spektar koji je više sličio neuređenim fibrilama (Slika S9). To je u skladu s hipotezom o izvanputu i stoga bi sugeriralo da se drugi opaženi 3-dnevni polimorfi mogu promatrati kao agregati na putu.

Međutim, mora se primijetiti da ovdje navedeni spektri fibrila ne obuhvaćaju nužno cijeli konformacijski ansambl koji prevladava tijekom agregacije tau. Kako bi se precizno razjasnila strukturna evolucija ranih stadija agregata u zrele fibrile, potrebna je detaljnija analiza kinetike agregacije, kojom se namjeravamo pozabaviti u budućnosti. Drugo intrigantno opažanje koje omogućuje AFM-IR je identifikacija antiparalelnih beta listova u zrelim fibrilama. Općenito se vjeruje i što je dokazano mnogim studijama da amiloidni agregati u ranom stadiju mogu sadržavati antiparalelnu strukturu, koja se u zrelim agregatima pretvara u paralelnu strukturu beta-lista secbeta-lista. Uočavamo suprotan trend: agregati u ranom stadiju mogu sadržavati uređene paralelne beta listove dok zreliji fibrili sadrže antiparalelne beta-listove beta-listove što dokazuje relativna populacija odgovarajućeg vrha (slike 4G-L).

Ukratko, pokazali smo pomoću AFM-IR spektroskopije na nanoskali da tau fibrile mogu imati značajne strukturne varijacije, osobito u ranim fazama agregacije. Heterogenost se očituje u obliku strukturno različitih polimorfa, koji pokazuju sličnu morfologiju, ali različitu sekundarnu strukturu. Konkretno, identificirali smo prolazno uređeni paralelni beta-sheebeta-list u ranoj fazi fibrila, koji nakon sazrijevanja evoluira u neuređeniju fibrilnu strukturu koja sadrži antiparalelne beta listove. Ovi rezultati naglašavaju potrebu spajanja spektroskopije s tehnikom prostorno razlučene tehnike kao što je AFM, jer nije moguće nedvosmisleno napraviti ovo određivanje iz tehnika prostorno usrednjenih kao što je FTIR. Eksperimentalni rezultati opisani u ovoj studiji pokazuju da su tau fibrilarni agregati heterogeni i budući rad će se pozabaviti time da li ti polimorfi opstaju pod različitim uvjetima agregacije i u zasijanoj agregaciji iz lizata mozga kako bi se razumio njihov značaj u kontekstu različitih tauopatija.

Dopunski materijal

Za dodatni materijal pogledajte web verziju na PubMed Centralu.

PRIZNANJE

Ovaj rad je podržan od strane Nacionalnog instituta za zdravlje (Nagrada 1 R35 GM138162 za AG).

REFERENCE

1. Šimić G; Babić Leko M; Wray S; Harrington C; Delalle I; Jovanov-Milošević N; Bažadona D; Buée L; de Silva R; Di Giovanni G; Wischik C; Hiperfosforilacija i agregacija proteina Hof PR Tau u Alzheimerovoj bolesti i drugim tauopatijama i moguće neuroprotektivne strategije. Biomolekule 2016, 6 (1), 6–6. [PubMed: 26751493]

2. Li D; Liu C Hijerarhijsko kemijsko određivanje amiloidnih polimorfa u neurodegenerativnim bolestima. Nature Chemical Biology 2021, 17 (3), 237–245. [PubMed: 33432239]

3. Kametani Ž; Hasegawa M Ponovno razmatranje amiloidne hipoteze i tau hipoteze u Alzheimerovoj bolesti. Frontiers in Neuroscience 2018, 12 (25).

4. Iadanza MG; Jackson MP; Hewitt EW; Ranson NA; Radford SE Nova era za razumijevanje amiloidnih struktura i bolesti. Nature Reviews Molecular Cell Biology 2018, 19 (12), 755–773. [PubMed: 30237470]

5. Ballatore C; Lee VMY; Trojanowski JQ Tau-posredovana neurodegeneracija u Alzheimerovoj bolesti i srodnim poremećajima. Nature Reviews Neuroscience 2007, 8 (9), 663–672. [PubMed: 17684513]

6. Kolarova M; Garc; #00ED; a-Sijera F; Bartos A; Ricny ​​J; Ripova D Struktura i patologija Tau proteina u Alzheimerovoj bolesti. Međunarodni časopis za Alzheimerovu bolest 2012., 2012., 13.

7. Tapiola T; Alafuzoff I; Herukka SK; Parkkinen L; Hartikainen P; Soininen H; Pirttilä T Cerebrospinalna tekućina - Amiloid 42 i Tau proteini kao biomarkeri patoloških promjena Alzheimerovog tipa u mozgu. JAMA Neurology 2009, 66 (3), 382–389.

8. Mukrasch MD; Bibow S; Korukottu J; Jeganathan S; Biernat J; Griesinger C; Mandelkow E; Zweckstetter M Strukturni polimorfizam 441-ostatka Tau pri rezoluciji jednog ostatka. PLOS Biology 2009, 7 (2), e1000034.

9. Scheres SHW; Zhang W; sokol B; Goedert M Cryo-EM strukture tau filamenata. Current Opinion in Structural Biology 2020, 64, 17–25. [PubMed: 32603876]

10. Fitzpatrick AWP; sokol B; On je; Murzin AG; Murshudov G; Garringer HJ; Crowther RA; Ghetti B; Goedert M; Scheres SHW Cryo-EM strukture tau filamenata iz Alzheimerove bolesti. Priroda 2017, 547 (7662), 185–190. [PubMed: 28678775]

11. Makky A; Bousset L; Madiona K; Melki R Mikroskopski prikaz atomske sile i nanomehanička svojstva sklopova šest tau izoformi. Biophysical Journal 2020, 119 (12), 2497–2507. [PubMed: 33217380]

12. Metrick MA; Ferreira NDC; Saijo E; Kraus A; Newell K; Zanusso G; Vendruscolo M; Ghetti B; Caughey BA pojedinačni ultraosjetljivi test za detekciju i diskriminaciju tau agregata Alzheimerove i Pickove bolesti. Acta Neuropathologica Communications 2020, 8 (1), 22. [PubMed: 32087764]

13. Haili Z; Meng SR; Navijač JB; Chen J; Liang Y fibrilizacija ljudskog Taua ubrzava se izlaganjem olovu putem interakcije s His-330 i His-362. PloS one 2011, 6, e25020. [PubMed: 21966400]

14. Von Bergen M; Barghorn S; Li L; Marx A; Biernat J; Mandelkow EM Mutacije Tau proteina u frontotemporalnoj demenciji potiču agregaciju uparenih spiralnih filamenata poboljšavanjem lokalne strukture. The Journal of biological chemistry 2002, 276, 48165–74.

15. Mraz B; Ollesch J; Wille H; Diamond MI Konformacijska raznolikost Tau fibrila divljeg tipa određena šablonskom promjenom konformacije. Journal of Biological Chemistry 2009, 284 (6), 3546–3551.

16. Liu W; Hu X; Zhou L; Tu Y; Shi S; Perspektiva inspirirana orijentacijom Yao T o molekularnom inhibitoru agregacije Tau pomoću kurkumina konjugiranog s skelom Rutenij(II) kompleksa. Časopis za fizičku kemiju B 2020., 124 (12), 2343–2353. [PubMed: 32130010]

17. Prokopovich DV; Whittaker JW; Muthee MM; Ahmed A; Larini L Utjecaj fosforilacije i pseudofosforilacije na rane faze agregacije proteina Tau povezanog s mikrotubulama. Časopis za fizičku kemiju B 2017., 121 (9), 2095–2103. [PubMed: 28218850]

18. Arya S; Ganguly P; Arsiccio A; Claud SL; Trapp B; Schonfeld GE; Liu X; Lazar Cantrell K; Shea JE; Bowers MT terminalno zatvaranje amiloidogenog tau fragmenta modulira njegovu sklonost fibrilaciji. Časopis za fizičku kemiju B 2020, 124 (40), 8772–8783. [PubMed: 32816481]

19. Rojas AV; Maisuradze GG; Scheraga HA Ovisnost formiranja mješovitih agregata Tau i A peptida o sekundarnoj strukturi N-terminalne regije A . Časopis za fizičku kemiju B 2018., 122 (28), 7049–7056. [PubMed: 29940109]

20. Qi R; Luo Y; Wei G; Nussinov R; Ma BA "Razvlačenje i pakiranje" mehanizam unakrsnog sijanja može pokrenuti agregaciju proteina Tau. The Journal of Physical Chemistry Letters 2015., 6 (16), 3276–3282.

21. Napravi TD; Economou NJ; Chamas A; Buratto SK; Shea JE; Bowers MT Interakcije između amiloidnih i tau fragmenata promiču aberantne agregate: implikacije za amiloidnu toksičnost. Časopis za fizičku kemiju B 2014., 118 (38), 11220–11230. [PubMed: 25153942]

22. Buée L; Bussière T; Buée-Scherrer V; Delacourte A; Izoforme proteina Hof PR Tau, fosforilacija i uloga u neurodegenerativnim poremećajima. Brain Research Reviews 2000., 33 (1), 95–130. [PubMed: 10967355]

23. Luo Y; Ma B; Nussinov R; Wei G Strukturalni uvid u paradoks intrinzično poremećenog ponašanja, aktivnosti samoacetilacije i agregacije proteina Tau. The Journal of Physical Chemistry Letters 2014., 5 (17), 3026–3031. [PubMed: 25206938]

24. Dong X; Bera S; Qiao Q; Tang Y; Lao Z; Luo Y; Gazit E; Wei G Tekućina-tekuća faza razdvajanja Tau proteina je kodirana na monomernoj razini. The Journal of Physical Chemistry Letters 2021, 12 (10), 2576–2586. [PubMed: 33686854]

25. Goux WJ; Kopplin L; Nguyen AD; Propuštanje K; Rutkofsky M; Shanmuganandam VD; Sharma D; Inouye H; Kirschner DA Stvaranje ravnih i upletenih filamenata iz kratkih Tau peptida. Journal of Biological Chemistry 2004, 279 (26), 26868–26875.

26. Fändrich M; Nyström S; Nilsson KPR; Böckmann A; LeVine H 3.; Hammarström P Polimorfizam amiloidnih fibrila: izazov za molekularno oslikavanje i terapiju. J Intern Med 2018, 283 (3), 218–237. [PubMed: 29360284]

27. Härd T Amiloidna vlakna: Formiranje, polimorfizam i inhibicija. The Journal of Physical Chemistry Letters 2014., 5 (3), 607–614. [PubMed: 26276617]

28. Marcijal B; Lefèvre T; Auger M. Razumijevanje stvaranja amiloidnih fibrila korištenjem fragmenata proteina: strukturna istraživanja putem vibracijske spektroskopije i NMR čvrstog stanja. Biophys Rev 2018, 10 (4), 1133–1149. [PubMed: 29855812]

29. Eisenberg DS; Sawaya MR Strukturalne studije amiloidnih proteina na molekularnoj razini. Annual Review of Biochemistry 2017, 86 (1), 69–95.

30. Moran SD; Zanni MT Kako dobiti uvid u strukturu i formiranje amiloida pomoću infracrvene spektroskopije. The Journal of Physical Chemistry Letters 2014., 5 (11), 1984.–1993. [PubMed: 24932380]

31. Tycko R NMR studije čvrstog stanja strukture amiloidnih fibrila. Annual Review of Physical Chemistry 2011, 62 (1), 279–299.

32. Dazzi A; Prater CB AFM-IR: Tehnologija i primjena u nanoskalnoj infracrvenoj spektroskopiji i kemijskom snimanju. Chemical Reviews 2017, 117 (7), 5146–5173. [PubMed: 27958707]

33. Dazzi A; Prater CB; Hu Q; Chase DB; Rabolt JF; Marcott C AFM-IR: Kombinacija mikroskopije atomske sile i infracrvene spektroskopije za kemijsku karakterizaciju u nanoskali. Appl. Spectrosc. 2012, 66 (12), 1365. [PubMed: 23231899]

For more information:1950477648nn@gmail.com