Strukturelt distinkte polymorfer av Tau-aggregater avslørt ved nanoskala infrarød spektroskopi

Abstrakt

Aggregering av tau-proteinet spiller en sentral rolle i flere nevrodegenerative sykdommer samlet kjent som tauopatier, inkludert Alzheimers og Parkinsons sykdom. Tau folder seg feil til fibrillære beta-arkstrukturer som utgjør de parede spiralformede filamentene som finnes i nevrofibrillære floker. Det er kjent at det kan være betydelige strukturelle heterogeniteter i tau-aggregater assosiert med forskjellige sykdommer.

Imidlertid, mens strukturer av modne fibriller har blitt studert, er de strukturelle fordelingene i tau-aggregater i tidlig stadium ikke godt forstått. I denne studien bruker vi AFM-IR for å undersøke nanoskalaspektre av individuelle tau-fibriller på forskjellige stadier av aggregering og demonstrere tilstedeværelsen av flere fibrillære polymorfer som viser forskjellige sekundære strukturer. Vi viser videre at modne fibriller inneholder betydelige mengder antiparallelle beta-ark. Resultatene våre er den aller første anvendelsen av infrarød spektroskopi i nanoskala på tau-aggregater og understreker løftet om romlig løst infrarød spektroskopi for å undersøke proteinaggregering.

Alzheimers sykdom er en nevrodegenerativ sykdom med høy forekomst, og dens viktigste patologiske trekk er alvorlig tap av nevroner og synapser og -amyloid ( -amyloid) og Tau-protein (et mikrotubule-assosiert protein) akkumulering i hjernen. Disse proteinene danner modne fibrilstrukturer under sykdomsprogresjon, og proteinfibrene i denne strukturen kan føre til nevronal død og kognitiv tilbakegang. Modne fibriller spiller en mer alvorlig rolle i sykdomsdannelse enn -amyloid- og Tau-proteiner. Dette er fordi dannelsen av modne fibriller er endepunktet for den patogene mekanismen, noe som ytterligere forverrer tapet av nevroner og synapser under sykdomsprogresjon og akselererer utviklingen av sykdommen. Derfor, for forskning og utvikling av behandling av Alzheimers sykdom, har forskning og utforskning av modne fibriller også blitt et forskningshotspot. I vår forskning fant vi at Cistanche er effektiv i behandling av Alzheimers sykdom. Cistanche inneholder en stor mengde antocyaniner og flavonoider, som har en sterk antioksidanteffekt. Disse ingrediensene kan bidra til å redusere produksjonen av frie radikaler og beskytte hjerneceller mot oksidativ skade, og dermed redusere muligheten for nevrodegenerasjon.

Klikk cistanche deserticola supplement

Nøkkelord

Tau; aggregering; Alzheimers sykdom; AFM-IR; nanoskala IR-spektroskopi; AFM; fibril struktur; antiparallelle betaark.

Feilfolding og aggregering av tau-proteiner til fibrillære aggregater er det patologiske kjennetegnet ved mange nevrodegenerative sykdommer kalt tauopatier, inkludert Alzheimers og Parkinsons sykdom1-5. Tau er et mikrotubuli (MT)-assosiert protein som feilfolder seg til uløselige cellulære avsetninger kalt Neurofibrillary Tangles (NFTs)1-2, 5-6.

Mens tidlige bevis pekte på den potensielle nevrotoksisiteten til NFT-er, antas det nå at prefibrillære oligomere sammenstillinger er den viktigste nevrotoksiske arten3, 5-6. Belysning av spesifikke tau-fibrilleringsveier kan gi innsikt i sykdomsmekanismer og avsløre potensielle terapeutiske mål for medikamentoppdagelse. Det er investert betydelig innsats for å forstå aggregeringen av tau og rollen til ulike faktorer som modulerer aggregeringen1-2, 7-18. Rollen til andre amyloidproteiner, f.eks. amyloid beta, i å endre tau-konformasjon har også blitt undersøkt19-21. Det er kjent at tau-filamenter i NFT-er har en kryss-beta-struktur som ligner på amyloidplakk. Det er imidlertid fortsatt en utfordring å belyse den strukturelle utviklingen av tau som resulterer i fibrilldannelse.

I den menneskelige hjernen er det identifisert seks forskjellige tau-isoformer som er forskjellige når det gjelder antall aminosyrerester2, 5, 22. Den dominerende isoformen og fibrillære strukturen kan variere med sykdom2, 22. Alle tau-isoformene er store polypeptider og utviser derfor strukturelle fleksibilitet. Derfor har en betydelig mengde forskningsinteresse blitt fokusert på korte peptider som representerer de mikrotubuli-bindende domenene, som er kritiske for tau-aggregering23-25 i stedet for full-lengde-proteinene. Videre viser tau og dets isoformer polymorfisme: i hovedsak de samme peptidene aggregerer til forskjellige fibrillære strukturer, som ikke bare er forskjellige med hensyn til morfologi, men også med hensyn til molekylær arrangement8-9, 26-27. Alle de ovennevnte faktorene gjør isolasjon og strukturell analyse av spesifikke tau-aggregater dannet på forskjellige stadier av aggregeringen til en vanskelig oppgave. Naturen til amyloidaggregering generelt er slik at den genererer en mengde aggregerte arter som er forbigående og er i likevekt med hverandre. Nylig har cryo-EM blitt brukt for å løse tau fibrillære strukturer; dens applikasjoner forblir imidlertid begrenset til i hovedsak modne fibriller som er sluttpunktet for aggregering, og ikke mellomprodukter9-10.

Spesielt er de strukturelle aspektene ved tau-mellomprodukter i tidlig stadium ikke godt forstått. Gullstandarden for å bestemme den sekundære strukturen til amyloidlignende aggregater er generelt spektroskopiske teknikker som solid-state kjernemagnetisk resonans (ssNMR) og Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)15, 28-31. Imidlertid er ingen av disse teknikkene i stand til å gi romlig oppløsning på skalaen til individuelle aggregater, og uten romlig oppløsning er det vanskelig å utvetydig tilskrive spektrale trekk til spesifikke aggregater eller morfologier eller bestemme hvilke forbigående arter som utvikler seg til en bestemt morfologi. I hovedsak er det ikke mulig å bestemme om observerte spektrale trekk oppstår fra en bestemt aggregeringstilstand eller en statistisk blanding av forskjellige konformasjoner.

Som et resultat er bare gjennomsnittlige strukturer av oligomerer og fibriller kjent, og strukturelle variasjoners heterogeniteter innenfor hver tilstand, hvis noen, er ikke godt forstått. For å fremme vår kunnskap om aggregering av tau og andre amyloidogene proteiner under forskjellige forhold, er det viktig å forstå strukturen til hvert medlem av det konformasjonsensemblet på forskjellige stadier av aggregeringen. Det siste tiåret har sett utviklingen av nye tilnærminger for å forbedre den romlige oppløsningen til vibrasjonsspektroskopi som kombinerer infrarød spektroskopi med AFM for å oppnå nanometerskala oppløsning.

En av de sist utviklede AFM-baserte tilnærmingene drar fordel av fototermisk indusert resonans (PTIR), der den lokale termiske ekspansjonen som følge av infrarød absorpsjon av en prøve registreres av en AFM-tupp 32-35. Fototermisk AFM-IR omgår dermed oppløsningsgrenser i konvensjonell IR-mikroskopi ved å bruke spissen av en AFM-sonde for å måle infrarød absorpsjon. Absorpsjon av stråling gjennom resonant eksitasjon av en infrarød modus fører til en termisk utvidelse av prøven, og produserer en impulsiv kraft på AFM-utkragingen. Den resulterende AFM-sonderesponsen er proporsjonal med den infrarøde absorbansen, og skanning av bølgelengden gir et infrarødt absorpsjonsspektrum som tilsvarer et nanoskalaområde av prøven (figur 1).

Derfor, i motsetning til konvensjonelle optiske teknikker, kan AFM-IR undersøke strukturer i nanoskala med enestående kjemiske detaljer og kombinerer det beste fra begge verdener: den romlige oppløsningen til AFM og den kjemiske oppløsningen til infrarød. Mens AFM-IR har blitt brukt for å studere aggregater av amyloidogene peptider som beta-amyloid og alfa-synuklein 35-38, har det aldri blitt brukt for å studere aggregering av tau. I denne studien utnytter vi egenskapene til AFM-IR og undersøker fibriller av tau-441-isomeren på forskjellige stadier av aggregering for å vise at det på tidlige stadier av aggregering er betydelig heterogenitet i fibrillær struktur selv uten noen signifikante variasjoner i morfologi. Resultatene våre viser for aller første gang at det kan være underliggende forskjeller i den sekundære strukturen til fibriller som viser samme morfologi. Flere strukturelt distinkte fibrilpolymorfer er observert; en mer strukturelt ordnet enn de andre, som også er forbigående og ikke finnes i modne fibriller. Videre viser vi også at tau-fibriller kan inneholde antiparallelle beta-ark, som vanligvis ikke er assosiert med fibrillære morfologier.

For å forstå den strukturelle utviklingen av fibriller over tid, undersøkte vi fibriller på forskjellige tidspunkt for aggregering, nemlig etter 3, 5, 10 og 15 dager med aggregering. For hver måling ble alikvoter avsatt på gullsubstrater og tørket under nitrogen. AFM topografiske bilder av tau fibriller etter 3 dager med inkubasjon ved 37 grader er vist i figur 2. Figur 2A viser en representativ fibrill klynge. Flere AFM-bilder av individuelle fibriller ved alle de forskjellige aggregeringsstadiene er vist i figur S1-S5. For å få den totale høydefordelingen til fibrillerne i prøven, ble høydeverdiene til de individuelle fibrillerne målt og plottet som et histogram (Figur 2B). Dataene ble utstyrt med en Gauss for å bestemme den gjennomsnittlige høydeverdien på 6,3±0,7 nm. AFM-bilder av 5-dagsfibriller og tilsvarende høydeanalyse er vist i figur 2C-D. Individuelle fibriller sammen med fibrilklynger observeres. Høyden på fibrillene er 6,5±0,9 nm, som forblir nær den til 3-dagens fibrilprøve.

Deretter ble tau-fibriller med {{0}}-dagers inkubasjon undersøkt (figur 2E-F). Individuelle fibriller ble observert på gulloverflaten (figur 2E). Gjennomsnittlig høyde på 10-dag fibriller er 7,2±1,0 nm. Modne tau-fibriller, generert etter 15 dager med aggregering, er vist i figur 2G. 15-Dagsfibrillene er lange og sammenfiltret med hverandre og genererer en nettverkslignende morfologi. På dette stadiet av aggregering er separate fibriller ikke lenger synlige. Den gjennomsnittlige fibrillhøyden er 42,5±40,5 nm (Figur 2H), som er betydelig høyere sammenlignet med de andre fibrillene som ble generert på de tidligere tidspunktene. Den brede fordelingen av fibrillernes høyde indikerer at modne fibriller har varierte høydeverdier, i motsetning til den smale fordelingen av tidligere fibriller. De fibrillære strukturene som er observert her, samsvarer med tidligere AFM-rapporter om tau-aggregering11, 39-40. En annen viktig observasjon fra AFM-målingene er at tau-fibrillene generert i løsningen er homogene i sin morfologi.

De er rette, mangler noen form for forgrening eller vridd konformasjoner, med minimale høydeendringer innenfor en fibrill. Ved fibrilmodning ser vi en økning i fibrillhøyde, men ingen nye morfologier utvikles. Dette kan visualiseres i figur S5, der 3-dag- og 10-dag-fibrillmorfologier vises i et regnbuefargekart, som viser at de har minimale høydeendringer innenfor én fibril. Mens fibrillene ikke viser noen signifikante morfologiske forskjeller, inneholder nanoskala IR-spektra av fibriller betydelige forskjeller.

Nærmere bestemt, for 3-dagsfibrillene observerer vi tre forskjellige fibrilpolymorfer med distinkte spektre. For 5-dag, 10-dag og 15-dag modne fibriller observerer vi bare én konformasjon. Vi legger merke til at polymorfisme vanligvis brukes til å betegne morfologisk distinkte fibriller som også kan være forskjellige med hensyn til molekylær struktur2, 26; i vårt tilfelle er morfologien invariant, men fibrillene kan kategoriseres i tre distinkte undertyper basert på deres spektre. For klarhet refererer vi til disse strukturene/polymorfene som henholdsvis Type 1, Type 2 og Type 3 for resten av denne artikkelen. Representative infrarøde spektre i amid-I-området er vist i figur 3. Spektrene er gjennomsnittet av flere målinger tatt langs lengden av fibriller. Flere spektre er gitt i støtteinformasjonen (Figur S6). Spekteret til 3-dagfibriltype-1 inneholder en fremtredende topp ved ~1628cm−1 og en mindre skulder ved ~1670cm−1.

I tillegg kan et svakt bånd sees ved ~1740 cm-1. Spekteret av fibriltype-2 er betydelig forskjellig og inneholder et utvidet asymmetrisk amid-I-bånd sentrert ved ~1650 cm-1. Ingen signifikant intensitet er observert over 1700cm−1. For fibriltype-3 observerer vi et amid-I-spektrum som er veldig likt type-2, med ett stort unntak: tilstedeværelsen av et fremtredende bånd ved ~1738 cm-1. Det er interessant å merke seg at fibrillspektrene, bortsett fra type-1 polymorfen, ikke inneholder en skarp topp ved typiske beta-sheet-frekvenser på ~1630 cm−1, selv om fibrillære aggregater er kjent for å være parallelle beta i registeret. ark. Den bredere linjebredden observert for type 2- og type 3-fibriller, i tillegg til mangelen på en skarp topp ved beta-sheet-frekvenser, vil indikere tilstedeværelsen av strukturell forstyrrelse.

Interessant nok fant vi ingen større variasjon i spektre langs en enkelt fibril (figur S5), noe som indikerer at fibrillene er veldefinerte strukturer og har iboende strukturelle forstyrrelser. Det bør bemerkes i denne sammenhengen at det er variasjoner i spektra langs fibriller, spesielt for type-3 fibriller, som bevist av det større spektrale standardavviket (figur 3). Imidlertid er hovedforskjellen mellom de tre fibril-subtypene når det gjelder intensiteter av bånd ved 1628cm-1 og 1738cm-1. Variasjonene nevnt ovenfor påvirker ikke klassifiseringen av fibriller i den ene eller den andre undertypen.

De modne fibrillerne for 5-dag, 10-dag og 15-dag viser ingen spektral heterogenitet, og en enkelt polymorf observeres for hvert tilfelle (figur 3). 5-dagfibrillspekteret er litt forskjøvet (~6cm−1) til høyere bølgetall sammenlignet med type 2 og type 3 fibriller og viser også økt linjebredde. De 10-dag- og 15-dagsmodne fibrillerne har spektre som ligner på type 2-fibriller, med sistnevnte forskjøvet til høyere bølgetall med ~4cm−1. Hele 5-dagen, 10-dagen og 15-dagens fibriller mangler en tydelig topp over 1700 cm-1.

Nøkkelinnsikten fra fibrillspektrene er at i løpet av de tidlige stadiene av modning kan det være betydelig heterogenitet i fibrillstrukturen, og ved modning utvikler fibrillene seg til en enkelt struktur. Det er imidlertid vanskelig å nøyaktig forstå de eksakte underliggende strukturelle endringene fra inspeksjonen av spektrene alene. Derfor, for å få ytterligere innsikt i de spektrale og strukturelle variasjonene mellom polymorfene som ble observert, ble spektrene avviklet gjennom den spektrale tilpasningen. Amid I-spektre av proteiner inneholder vanligvis bidrag fra forskjellige sekundære strukturer41-42.

Siden den sekundære strukturen som bidrar til hvert av de observerte spektrene ikke er nøyaktig kjent a priori, vendte vi oss til de andre deriverte spektrene for å bestemme antall topper (Figur S8). Å bruke den andre deriverte av spektraldata for å bestemme underliggende topper er en velkjent praksis innen spektroskopi43-44. Vi brukte antall topper i de andre deriverte spektrene og deres tilsvarende frekvenser som utgangspunkt for spektral tilpasning. Tilpasningsresultatene for gjennomsnittsspektrene for de modne fibrillerne for 3-dagen, 5-dagen, 10-dagen og 15-dagen er vist i figur 4A-F. De prosentvise bidragene fra de tilpassede toppene til de totale spektrene er vist i figur 4G-L. Spektrene er normalisert til maksimal intensitet, men det skalerer hvert underbånd likt for et gitt spektrum. Derfor påvirkes ikke de relative populasjonene av båndene, som vist i figurene 4G-L, av normalisering. Tilpasningsparametrene er gitt i støttetabell 1.

For type-1 3-dagsfibriller passer tre gaussiske bånd til begge spektrene med høy kvalitet, med senterfrekvenser på 1628cm−1, 1659cm−1 og 1670cm−1. Type-2 3-dagfibrilspekteret passer til fem underliggende bånd, med frekvensene 1626cm−1, 1642cm−1, 1662cm−1, 1680cm−1 og 1694cm−1. Som forventet fra den spektrale likheten, passer typen-3 fibrill inn i de samme fem båndene, men krever også en ekstra topp på 1736 cm-1. Ved å utvide vår spektrale dekonvolusjonsanalyse til mer modne fibriller, ser vi at 5-dag-, 10-dag- og 15-dag-fibriller i hovedsak inneholder samme fordeling av sekundære strukturer. Fibrilspektra for 5-dag, 10-dag og 15-dag krever alle seks bånd for optimal tilpasning, der det høye bølgetallstoppen skifter til ~1725cm−1, og de andre fem toppene er lik typen-2 fibriller.

1626-1628cm−1-toppen i alle tilpasningene kan tilskrives beta-ark, noe som indikerer at alle fibrillære polymorfer inneholder beta-arkstruktur28, 30, 41-42. Toppen på 1642 cm-1 oppstår vanligvis fra tilfeldige spoler, mens toppene ved ~1660cm−1 og 1682cm−1 vanligvis tilordnes beta-svinger 41-42. Samlet indikerer den spektrale dekonvolusjonen at det ved modning er mer uorden i fibrillstrukturen, noe som fremgår av økningen i den tilfeldige spireltoppen i forhold til beta-arktoppen. Tilstedeværelsen av beta-svinger og deres relative økning, bevist av intensiteten til den 1660 cm-1 tilpassede toppen, er i samsvar med den forventede kryssbeta-strukturen til fibrillene. Tilstedeværelsen av bånd ved ~1694cm−1 og ~1725cm−1 er imidlertid noe uventet. Førstnevnte har vanligvis blitt tilskrevet antiparallelle beta-ark41-42, 45 og har blitt observert i beta-amyloid45-46 og alfa-synuklein-oligomerer38. Mens antiparallelle beta-arkstrukturer er kjent for oligomere amyloidsammenstillinger, har deres eksistens i fibriller sjelden blitt observert. 2D IR-studier har identifisert antiparallelle beta-arksignaturer i synukleinfibriller47; spesifikke mutanter av beta-amyloid viser også antiparallell beta-arkstruktur47. Resultatene våre, så vidt vi vet, er den aller første observasjonen av antiparallelle beta-ark for tau-aggregater. Den antiparallelle beta-arktoppen er påfallende fraværende i typen -1 polymorf. Dette antyder at fibriller kan ta i bruk enten en stiv velordnet struktur (polymorf type-1) som hovedsakelig er parallelle beta-ark, men økt strukturell fleksibilitet og/eller forstyrrelse kan føre til dannelse av antiparallelle beta-ark.

Det er imidlertid viktig å merke seg at ~1626cm−1-toppen vanligvis ikke skifter signifikant mellom parallelle og antiparallelle beta-ark. Resultatene våre utelukker derfor ikke muligheten for parallelle beta-ark i noen av fibrillene der ~1694cm-1-toppen er observert. Toppen ved ~1725cm−1 kan ikke tilskrives en ryggradsamidvibrasjon, og kommer mest sannsynlig fra COOH-strekningen av sidekjedekarboksylsyrer41-42. Nylig arbeid fra Pinto og medarbeidere har vist strategier for å beregne IR-spekteret til karbonylbåndet til COOH-gruppen av asparaginsyre ved bruk av hybride kvante/klassiske beregningsmetoder48. Funnene deres har vist at den protonerte sidekjeden vises i området 1700-1780 cm−1 og en frekvensforskyvning på 5-10 cm−1 kan brukes som en sonde for interaksjonen mellom sidekjeden og ryggrad. Tau 441-peptidsekvensen har flere karboksylsyrer, inkludert i de mikrotubuli-bindende gjentatte domenene, som har vist seg å ha høy tilbøyelighet til å danne beta-ark5-6.

AFM-IR-målinger av andre amyloidaggregater har identifisert lignende topper36, som har blitt tilskrevet karboksylsyrer. Imidlertid er dette karboksylsyrebåndet mer fremtredende i noen fibriller enn andre: dets bidrag til den totale toppen er mest signifikant bare for typen-3 3-dagfibrill og 5-dagfibrill, som man kan se i Figur 4. Ved infrarød spektroskopi fører dipolar justering i ordnede strukturer ofte til økt intensitet av absorpsjonsbånd; et relevant eksempel er dannelsen av ordnede beta-ark fra uordnede peptider, noe som fører til skarpe intense bånd ved ~1625cm−1. Tilstedeværelsen av intense karboksylsyrebånd oppstår derfor muligens fra den strukturelle rekkefølgen av glutaminsyre og asparaginsyresidekjeder. Imidlertid er det flere karboksylatsidekjeder i tau-446, og deres spesifikke molekylære interaksjoner og orienteringer er ikke nøyaktig kjent for strukturene observert her.

Videre er intensiteten i AFM-IR-spektra proporsjonal med FTIR32-33, men den numeriske korrelasjonsfaktoren mellom AFM-IR og FTIR er ikke rapportert for karboksylsyrevibrasjoner. Derfor vil det å korrelere toppintensiteten til spesifikke karboksyliske sidekjeder trenge teoretiske beregninger / vurderinger av AFM-IR-responsen som ligger utenfor rammen av dette arbeidet. Det er også viktig å merke seg i denne sammenhengen at AFM-IR-målinger er forskjellig fra isotropiske infrarøde spektre innhentet i løsning, og spektrene målt i AFM-IR er en konvolusjon av laserpolarisering og belysningskonfigurasjon49-50. Derfor er det vanskelig å nøyaktig identifisere de strukturelle fundamentene til denne toppen, og mer forskning er nødvendig for å bestemme deres eksakte opprinnelse. Vi tar sikte på å ta tak i dette i det videre arbeidet.

Aggregeringen av tau-isomerer in vitro har blitt undersøkt i detalj; strukturen til tidlige og/eller forbigående mellomprodukter er imidlertid ikke særlig godt kjent. Oligomere arter i amyloidproteinaggregering har blitt identifisert å være enten på eller utenfor veien mot fibrildannelse. Siden fibriller antas å være endepunktet for aggregering, blir ikke fibrillstrukturer, inkludert forskjellige polymorfer derav, generelt sett på som forbigående eller utenfor banen. Heterogenitet i fibrillær struktur er kjent for å eksistere, men har vært kjent for å presentere seg selv samtidig med morfologiske variasjoner2, 8, 26, 51. Resultatene våre er unike ved at de peker på variasjoner i den sekundære strukturen til fibriller selv når det ikke er merkbare morfologiske forskjeller . Vi legger merke til at bortsett fra fibriltype-1, inneholder alle fibrillære spektre det samme sett med underliggende bånd, noe som indikerer at type-1 fibrill er et forbigående mellomprodukt som til slutt gjennomgår strukturell omorganisering med modning. En annen mulighet er at disse ordnede parallelle beta-sheet-polymorfene representerer en 'off-pathway'-struktur, den må desintegreres til monomere eller prefibrillære aggregater for å bli reintegrert i 'on-pathway'-fibriller. Vi fant ingen signifikant tilstedeværelse av ikke-fibrillære avleiringer i prøvene som ble studert; Imidlertid hadde de tilstedeværende et spektrum som ligner mer på de uordnede fibrillene (figur S9). Dette er i samsvar med off-pathway-hypotesen og antyder dermed at de andre 3-dagers polymorfene som er observert, kan sees på som aggregater på veien.

Det må imidlertid bemerkes at fibrillspektrene som er rapportert her, ikke nødvendigvis fanger opp hele konformasjonsensemblet som råder under aggregeringen av tau. For å presist belyse den strukturelle utviklingen av aggregater i tidlig stadium til modne fibriller, er en mer detaljert analyse av aggregeringskinetikk nødvendig, som vi tar sikte på å ta opp i fremtiden. Den andre spennende observasjonen som er muliggjort av AFM-IR er identifiseringen av antiparallelle beta-ark i modne fibriller. Det antas generelt og har blitt bevist av mange studier, at amyloidaggregater i tidlig stadium kan inneholde antiparallell struktur, som blir konvertert til parallell beta-sheet secbeta-sheetucture i modne aggregater. Vi observerer en motsatt trend: aggregater i tidlig stadium kan inneholde ordnede parallelle beta-ark, mens mer modne fibriller inneholder antiparallelle beta-sheet-beta-ark bevist av de relative populasjonene til den tilsvarende toppen (figur 4G-L).

Oppsummert har vi vist ved bruk av nanoskala AFM-IR-spektroskopi at tau-fibriller kan ha betydelige strukturelle variasjoner, spesielt i de tidlige stadiene av aggregering. Heterogeniteten manifesteres i form av strukturelt distinkte polymorfer, som viser lignende morfologi, men annen sekundær struktur. Spesifikt identifiserer vi en forbigående ordnet parallell beta-sheebeta-sheete i tidlig stadium av fibriller, som ved modning utvikler seg til en mer uordnet fibrillstruktur som inneholder antiparallelle beta-ark. Disse resultatene understreker behovet for å koble spektroskopi med en romlig løst teknikk som AFM, da det ikke er mulig å utvetydig ta denne bestemmelsen fra romlig gjennomsnittsteknikker som FTIR. De eksperimentelle resultatene beskrevet i denne studien viser at de tau fibrillære aggregatene er heterogene og fremtidig arbeid vil ta for seg hvorvidt disse polymorfene vedvarer under forskjellige aggregeringsforhold og i frøaggregering fra hjernelysater for å forstå deres betydning i sammenheng med forskjellige tauopatier.

Tilleggsmateriale

Se nettversjonen på PubMed Central for tilleggsmateriell.

BEKREFTELSE

Dette arbeidet ble støttet av National Institutes of Health (Award 1 R35 GM138162 til AG).

REFERANSER

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; Hof PR Tau-proteinhyperfosforylering og aggregasjon ved Alzheimers sykdom og andre tauopatier, og mulige nevroprotektive strategier. Biomolecules 2016, 6 (1), 6–6. [PubMed: 26751493]

2. Li D; Liu C Hierarkisk kjemisk bestemmelse av amyloide polymorfer ved nevrodegenerativ sykdom. Nature Chemical Biology 2021, 17 (3), 237–245. [PubMed: 33432239]

3. Kametani F; Hasegawa M Revurdering av amyloidhypotese og Tau-hypotese ved Alzheimers sykdom. Frontiers in Neuroscience 2018, 12 (25).

4. Iadanza MG; Jackson MP; Hewitt EW; Ranson NA; Radford SE En ny æra for å forstå amyloidstrukturer og sykdom. Nature Reviews Molecular Cell Biology 2018, 19 (12), 755–773. [PubMed: 30237470]

5. Ballatore C; Lee VMY; Trojanowski JQ Tau-mediert nevrodegenerasjon ved Alzheimers sykdom og relaterte lidelser. Nature Reviews Neuroscience 2007, 8 (9), 663–672. [PubMed: 17684513]

6. Kolarova M; Garc; #00ED; a-Sierra F; Bartos A; Ricny ​​J; Ripova D-struktur og patologi til Tau-protein ved Alzheimers sykdom. International Journal of Alzheimers Disease 2012, 2012, 13.

7. Tapiola T; Alafuzoff I; Herukka SK; Parkkinen L; Hartikainen P; Soininen H; Pirttilä T Cerebrospinalvæske - Amyloid 42 og Tau-proteiner som biomarkører for Alzheimer-type patologiske endringer i hjernen. JAMA Neurology 2009, 66 (3), 382–389.

8. Mukrasch MD; Bibow S; Korukottu J; Jeganathan S; Biernat J; Griesinger C; Mandelkow E; Zweckstetter M Structural Polymorphism of 441-Residue Tau at Single Residue Resolution. PLOS Biology 2009, 7 (2), e1000034.

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

10. Fitzpatrick AWP; Falcon B; Han S; Murzin AG; Murshudov G; Garringer HJ; Crowther RA; Ghetti B; Goedert M; Scheres SHW Cryo-EM-strukturer av tau-filamenter fra Alzheimers sykdom. Nature 2017, 547 (7662), 185–190. [PubMed: 28678775]

11. Makky A; Bousset L; Madiona K; Melki R Atomic Force Microscopy Imaging og nanomekaniske egenskaper til seks Tau Isoform Assemblies. 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 enkelt ultrasensitiv analyse for påvisning og diskriminering av tau-aggregater av Alzheimer- og Pick-sykdommer. Acta Neuropathologica Communications 2020, 8 (1), 22. [PubMed: 32087764]

13. Haili Z; Meng SR; Fan JB; Chen J; Liang Y-fibrillering av menneskelig Tau akselereres ved eksponering for bly via interaksjon med hans-330 og hans-362. PloS one 2011, 6, e25020. [PubMed: 21966400]

14. Von Bergen M; Barghorn S; Li L; Marx A; Biernat J; Mandelkow EM-mutasjoner av Tau-protein ved frontotemporal demens fremmer aggregering av sammenkoblede spiralfilamenter ved å forbedre lokal struktur. The Journal of biological chemistry 2002, 276, 48165–74.

15. Frost B; Ollesch J; Wille H; Diamond MI konformasjonsmangfold av villtype Tau-fibriller spesifisert av malt konformasjonsendring. Journal of Biological Chemistry 2009, 284 (6), 3546–3551.

16. Liu W; Hu X; Zhou L; Tu Y; Shi S; Yao T Orientation-Inspired Perspective on Molecular Inhibitor of Tau Aggregation by Curcumin Conjugered with Ruthenium(II) Complex Scaffold. Journal of Physical Chemistry B 2020, 124 (12), 2343–2353. [PubMed: 32130010]

17. Prokopovich DV; Whittaker JW; Muthee MM; Ahmed A; Larini L Effekten av fosforylering og pseudofosforylering på de tidlige stadiene av aggregering av det mikrotubuli-assosierte proteinet Tau. The Journal of Physical Chemistry B 2017, 121 (9), 2095–2103. [PubMed: 28218850]

18. Arya S; Ganguly P; Arsiccio A; Claude SL; Trapp B; Schonfeld GE; Liu X; Lazar Cantrell K; Shea JE; Bowers MT-terminalkapping av et amyloidogent Tau-fragment modulerer dets fibrilleringstilbøyelighet. Journal of Physical Chemistry B 2020, 124 (40), 8772–8783. [PubMed: 32816481]

19. Rojas AV; Maisuradze GG; Scheraga HA Avhengighet av dannelsen av Tau- og A-peptidblandingsaggregater på den sekundære strukturen til N-terminalregionen til A. The Journal of Physical Chemistry B 2018, 122 (28), 7049–7056. [PubMed: 29940109]

20. QiR; Luo Y; Wei G; Nussinov R; Ma BA "Stretching-and-Packing" Krysssåingsmekanisme kan utløse Tau-proteinaggregasjon. The Journal of Physical Chemistry Letters 2015, 6 (16), 3276–3282.

21. Gjør TD; Economou NJ; Chamas A; Buratto SK; Shea JE; Bowers MT Interaksjoner mellom amyloid- og Tau-fragmenter fremmer avvikende aggregater: Implikasjoner for amyloidtoksisitet. The Journal of Physical Chemistry B 2014, 118 (38), 11220–11230. [PubMed: 25153942]

22. Buée L; Bussière T; Buée-Scherrer V; Delacourte A; Hof PR Tau proteinisoformer, fosforylering og rolle i nevrodegenerative lidelser. Brain Research Reviews 2000, 33 (1), 95–130. [PubMed: 10967355]

23. Luo Y; Ma B; Nussinov R; Wei G strukturell innsikt i Tau Proteins paradoks med iboende forstyrret atferd, selvacetyleringsaktivitet og aggregasjon. 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 væske-væskefaseseparasjon av Tau-protein er kodet på monomert nivå. The Journal of Physical Chemistry Letters 2021, 12 (10), 2576–2586. [PubMed: 33686854]

25. Goux WJ; Kopplin L; Nguyen AD; Lekkasje K; Rutkofsky M; Shanmuganandam VD; Sharma D; Inouye H; Kirschner DA Dannelsen av rette og vridde filamenter fra korte Tau-peptider. Journal of Biological Chemistry 2004, 279 (26), 26868–26875.

26. Fändrich M; Nyström S; Nilsson KPR; Böckmann A; LeVine H 3rd; Hammarström P Amyloid fibril polymorfisme: en utfordring for molekylær avbildning og terapi. J Intern Med 2018, 283 (3), 218–237. [PubMed: 29360284]

27. Härd T Amyloidfibriller: Dannelse, polymorfisme og hemming. The Journal of Physical Chemistry Letters 2014, 5 (3), 607–614. [PubMed: 26276617]

28. Martial B; Lefèvre T; Auger M Forstå amyloid fibrildannelse ved bruk av proteinfragmenter: strukturelle undersøkelser via vibrasjonsspektroskopi og faststoff-NMR. Biophys Rev 2018, 10 (4), 1133–1149. [PubMed: 29855812]

29. Eisenberg DS; Sawaya MR strukturelle studier av amyloidproteiner på molekylært nivå. Annual Review of Biochemistry 2017, 86 (1), 69–95.

30. Moran SD; Zanni MT Hvordan få innsikt i amyloid struktur og formasjon fra infrarød spektroskopi. The Journal of Physical Chemistry Letters 2014, 5 (11), 1984–1993. [PubMed: 24932380]

31. Tycko R Solid State NMR-studier av amyloid fibrilstruktur. Annual Review of Physical Chemistry 2011, 62 (1), 279–299.

32. Dazzi A; Prater CB AFM-IR: Teknologi og anvendelser i nanoskala infrarød spektroskopi og kjemisk bildebehandling. Chemical Reviews 2017, 117 (7), 5146–5173. [PubMed: 27958707]

33. Dazzi A; Prater CB; Hu Q; Chase DB; Rabolt JF; Marcott C AFM-IR: Kombinerer atomkraftmikroskopi og infrarød spektroskopi for kjemisk karakterisering på nanoskala. Appl. Spectrosc. 2012, 66 (12), 1365. [PubMed: 23231899]

For more information:1950477648nn@gmail.com