合成 tau 蛋白揭示了蛋白质错误折叠和原纤维形成的重要见解

合成 tau 蛋白揭示了蛋白质错误折叠和原纤维形成的重要见解

西北大学和加州大学圣塔芭芭拉分校的科学家首次合成了 tau 蛋白片段，其作用类似于朊病毒。 “迷你朊病毒”折叠并堆积成错误折叠的 tau 蛋白链（或原纤维），然后将其异常折叠形式传递给其他正常 tau 蛋白。

错误折叠的朊病毒样蛋白通过错误折叠的 tau 蛋白在大脑中异常积累而导致 tau 病的进展，tau 病是一组神经退行性疾病，包括阿尔茨海默病。通过研究人类 tau 蛋白的最小全长合成版本，科学家们可以更好地重建包含错误折叠 tau 蛋白的原纤维结构。这可能会带来神经退行性疾病迫切需要的有针对性的诊断和治疗工具。

在合成蛋白质的开发过程中，科学家们还揭示了蛋白质表面周围的水在引导错误折叠过程中的作用的新见解。研究人员发现，一种常用于模拟 TAU 相关疾病的突变巧妙地改变了 tau 蛋白周围环境中水的动态结构。这种水结构的改变会影响蛋白质呈现其异常形状的能力。

该研究将于 4 月 28 日当周发布美国国家科学院院刊。

“涉及 tau 蛋白的神经退行性疾病的范围特别广泛，”领导这项研究的西北大学的 Songi Han 说。 “它包括足球运动员在头部外伤、皮质基底节变性或进行性超核麻痹后发生的慢性创伤性脑病。产生自我繁殖的 tau 片段，可以产生纤维结构和独特的前前 tau 病的功能障碍。

韩是西北大学尼因伯格艺术与科学学院的马克和南希·拉特纳化学教授，也是生命过程化学研究所、应用物理研究生项目、国际纳米技术研究所、Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所以及量子信息研究与工程研究所的成员。迈克尔·维格斯（Michael Vigers），前博士。汉斯实验室的学生领导了这项研究，并且是第一作者。加州大学圣巴巴拉分校的合著者包括 Kenneth S. Kosik、Joan-Emma Shea 和 M. Scott Shell。这项工作也是由几位学生和博士后研究员完成的，包括 Saeed Najafi、Samuel Lobo、Karen Tsay、Austin Dubose 和 Andrew P. Longhini。

错误折叠的连锁反应

在许多神经退行性疾病中，蛋白质折叠成有害的、高度有序的原纤维，最终损害大脑健康，但难以诊断。当正常蛋白质遇到病理性 tau 原纤维时，正常蛋白质会发生变化以符合错误折叠的形状。这个过程会导致连锁反应，越来越多的蛋白质转变为错误折叠的聚集状态。虽然这种行为类似于朊病毒，但它并不涉及真正的朊病毒，后者可以在人与人之间传播传染病。

研究人员利用低温电子显微镜（cryo-EM）解析了脑组织样本中的原纤维结构。尽管该结构的设计是一个重大突破，但脑样本只能在患者死亡后才能获得。尽管该领域取得了巨大的进展并引起了浓厚的兴趣，但 TAU 相关神经退行性疾病的明确诊断只有在死后才有可能。

如今，当人们表现出神经退行性疾病的迹象时，并不是用生物标志物来诊断的。医生通过对患者进行调查并检查睡眠模式和记忆等一系列症状来确定诊断。瓶颈在于 tau 原纤维的可靠生成，这些原纤维可以重建关键且独特的疾病，作为制定诊断策略的目标。 “

Songi Han，西北大学

简化模型

为了应对当前的挑战，Han 和她的团队试图开发一种合成的、类似朊病毒的 tau 蛋白。 Han 的团队不是重建整个长度的蛋白质（又长又笨重），而是确定最短的 tau 蛋白片段，该片段仍然可以呈现错误折叠的形状并形成疾病样原纤维。

最终，Han 和她的团队专注于 tau 蛋白的一个短片段，称为 JR2R3，它只有 19 个氨基酸片段长。该片段包含一种名为 P301L 的突变，这种突变在许多疾病中都很常见。研究人员发现，这种短肽可以形成破坏性原纤维，这是这些疾病的标志，充当“种子”来分隔全长 tau 蛋白的错误折叠和聚集。

“我们制作了一个更容易控制的迷你版本，”韩说。 “但它的作用与全长版本相同。它们播种并导致正常的 tau 蛋白错误折叠原纤维并结合在一起。”

研究小组使用冷冻电镜检查合成原纤维的结构。他们发现 P301L 突变促进了一种特定类型的错误折叠，这种错误折叠在神经退行性疾病患者的样本中常见。这一发现表明，该突变在引导蛋白质错误折叠方面发挥着至关重要的作用。

水的形状

Han 接下来想要了解最初无序的 tau 蛋白如何变成高度有序的原纤维结构。她将这种神秘现象比作将一串条松软的意大利面条扔在一起，并期望它们能整齐地堆成一堆。

韩说：“本质上无序的蛋白质不可能自然地形成完美的折叠和堆叠并永远再生。” “这没有意义。”

在假设一定有某种东西将错误折叠的蛋白质结合在一起后，韩发现了关键：水。蛋白质周围的环境，特别是水分子，在蛋白质折叠和聚集中起着至关重要的作用。 P301L 突变似乎直接改变了 tau 蛋白的结构并改变了其周围水分子的行为。

“水是一种液体分子，但它仍然有结构，”韩说。 “肽中的突变可能会导致突变位点周围水分子的排列更加结构化。这种结构化水会影响肽与其他分子相互作用并将它们组合在一起的方式。”

换句话说，有组织的水将蛋白质粘在一起，并使各个链结合在一起形成整齐的一堆。然后，原纤维利用其类似朊病毒的行为来招募其他蛋白质沉淀并加入堆栈。

接下来怎么办？

研究小组目前正致力于进一步表征合成的朊病毒样蛋白的特性。最终，他们计划研究潜在的应用，包括开发 TAU 相关疾病的新诊断和治疗方法。

“tau 原纤维一旦形成，就不会消失，”Han 说。 “它会抓住幼稚的tau蛋白并将其折叠成相同的形状。它可以永远这样做。如果我们能找出如何阻止这种活动，我们就能发现新的治疗药物。”

这项名为“水设计是 Tau 朊病毒形成的关键”的研究得到了美国国立卫生研究院（拨款号 R01AG05605 和 R35GM136411）、Deutsche Forschungsgemaft 和 WM Keck 基金会的支持。

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