Skipulagslega aðgreindar fjölbreytur Tau efnasamlagna sem sýndar eru með innrauðri litrófsgreiningu á nanóskala

Ágrip

Samsöfnun tau próteins gegnir lykilhlutverki í nokkrum taugahrörnunarsjúkdómum sem sameiginlega kallast tauopathies, þar á meðal Alzheimers og Parkinsonsveiki. Tau brotnar mis saman í þráðbeta-blaðsbyggingar sem mynda pöruðu þyrilþræðina sem finnast í taugatrefjaflækjum. Það er vitað að það getur verið verulegur skipulagslegur misleitni í tau sameindum sem tengjast mismunandi sjúkdómum.

Hins vegar, á meðan strúktúr þroskaðra trefja hefur verið rannsakað, er burðarvirki dreifingarinnar í frumstigum tau sameinda ekki vel skilin. Í þessari rannsókn notum við AFM-IR til að rannsaka nanóskala litróf einstakra tau fibrils á mismunandi stigum samsöfnunar og sýna fram á tilvist margra fibrillar polymorphs sem sýna mismunandi aukabyggingar. Við sýnum ennfremur að þroskuð fibrils innihalda umtalsvert magn af antiparallel beta blöðum. Niðurstöður okkar eru fyrsta beitingin á innrauðri litrófsgreiningu á nanóskala á tau safnefni og undirstrika loforð um staðbundna uppleysta innrauða litrófsgreiningu til að rannsaka próteinsamsöfnun.

Alzheimerssjúkdómur er taugahrörnunarsjúkdómur með háa tíðni og helstu meinafræðilegir eiginleikar hans eru alvarlegt tap á taugafrumum og taugamótum og uppsöfnun -amyloid ( -amyloid) og Tau próteins (prótein tengd örpíplum) í heila. Þessi prótein mynda þroskuð fibril uppbyggingu við framgang sjúkdómsins og próteinþræðir þessarar byggingu geta leitt til taugafrumudauða og vitrænnar hnignunar. Þroskaðir fibrils gegna alvarlegra hlutverki í sjúkdómsmyndun en -amyloid og Tau prótein. Þetta er vegna þess að myndun þroskaðra fibrils er endapunktur sjúkdómsvaldandi kerfisins, sem eykur enn frekar tap á taugafrumum og taugamótum við framgang sjúkdómsins og flýtir fyrir framgangi sjúkdómsins. Þess vegna, til rannsókna og þróunar á meðhöndlun Alzheimerssjúkdóms, hafa rannsóknir og könnun á þroskuðum trefjum einnig orðið að rannsóknarsvæði. Í rannsóknum okkar komumst við að því að Cistanche er árangursríkt við að meðhöndla Alzheimerssjúkdóm. Cistanche inniheldur mikið magn af anthocyanínum og flavonoidum sem hafa sterk andoxunaráhrif. Þessi innihaldsefni geta hjálpað til við að draga úr framleiðslu sindurefna og vernda heilafrumur gegn oxunarskemmdum og draga þannig úr líkum á taugahrörnun.

Smelltu cistanche deserticola viðbót

Leitarorð

Tau; samansafn; Alzheimer-sjúkdómur; AFM-IR; IR litrófsgreining á nanóskala; AFM; fibril uppbyggingu; antiparallel beta blöð.

Misfelling og samsöfnun tau próteina í fibrillara einingar er meinafræðilegt einkenni margra taugahrörnunarsjúkdóma sem kallast tauopathies, þar á meðal Alzheimers og Parkinsonsveiki1-5. Tau er prótein sem tengist örpíplum (MT) sem misfoldar sér í óleysanlegar frumuútfellingar sem kallast Taugatrefjaflækjur (NFTs)1-2, 5-6.

Þó að fyrstu vísbendingar hafi bent til hugsanlegra taugaeiturverkana NFTs, er nú talið að prefibrillar oligomeric assemblies séu helstu taugaeiturtegundir3, 5-6. Skýring á sérstökum tau-tifrunarferlum getur veitt innsýn í sjúkdómsferli og leitt í ljós hugsanleg lækningaleg markmið fyrir uppgötvun lyfja. Mikil viðleitni hefur verið lögð í að skilja samsöfnun tau og hlutverk mismunandi þátta sem móta samansöfnunina1-2, 7-18. Hlutverk annarra amyloid próteina, td amyloid beta, við að breyta tau formgerð hefur einnig verið rannsakað19-21. Það er vitað að tau þræðir í NFT hafa kross-beta uppbyggingu svipað og amyloid plaques. Hins vegar er enn áskorun að útskýra skipulagsþróun tau sem leiðir til myndun fibril.

Í mannsheilanum hafa sex mismunandi tau ísóform verið greind sem eru mismunandi hvað varðar fjölda amínósýruleifa2, 5, 22. Ríkjandi ísóform og fibrillar uppbygging getur verið breytileg eftir sjúkdómi2, 22. Öll tau ísóformin eru stór fjölpeptíð og hafa því burðarvirki. sveigjanleika. Þess vegna hefur verulegur rannsóknaáhugi beinst að stuttum peptíðum sem tákna örpíplabindandi lénin, sem eru mikilvæg fyrir tau samloðun 23-25 í stað próteina í fullri lengd. Ennfremur sýna tau og ísómyndir þess fjölbreytileika: í meginatriðum sameinast sama peptíðið í mismunandi fibrilla-byggingar, sem eru ekki aðeins mismunandi varðandi formgerð heldur einnig varðandi sameindaskipan 8-9, 26-27. Allir ofangreindir þættir gera það að verkum að einangrun og burðargreiningu á tilteknum tau-einingum sem myndast á mismunandi stigum samsöfnunarinnar er erfitt verkefni. Eðli amyloid samloðunarinnar er almennt þannig að það myndar ofgnótt af samanlögðum tegundum sem eru tímabundnar og eru í jafnvægi hver við aðra. Nýlega hefur cryo-EM verið beitt með góðum árangri til að leysa tau fibrillar mannvirki; samt sem áður, eru notkun þess enn takmörkuð við í meginatriðum þroskuð fibrils sem eru lokapunktur samsöfnunar, en ekki milliefni9-10.

Sérstaklega eru byggingarþættir á frumstigi tau milliefni ekki vel skildir. Gullstaðallinn til að ákvarða efri uppbyggingu amyloid-líkra efnasamlagna, almennt, eru litrófstækni eins og kjarnasegulómun í föstu formi (ssNMR) og Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)15, 28-31. Hins vegar er engin þessara aðferða fær um að veita staðbundna upplausn á mælikvarða einstakra safnefna og án staðbundinnar upplausnar er erfitt að heimfæra litrófseinkenni ótvírætt til ákveðinna safnefna eða formgerða eða ákvarða hvaða tímabundnar tegundir þróast yfir í tiltekna formgerð. Í meginatriðum er ekki hægt að ákvarða hvort litrófseiginleikar, sem sjást hafa, stafa af tilteknu samsöfnunarástandi eða tölfræðilegri blöndu mismunandi lögunar.

Þar af leiðandi eru aðeins meðalstrúktúrar fáliða og trefja þekktar, og misleitni í uppbyggingu innan hvers ríkis, ef einhver er, er ekki vel skilin. Til að auka þekkingu okkar á samsöfnun tau og annarra amyloidogenic próteina við mismunandi aðstæður er mikilvægt að skilja uppbyggingu hvers meðlims sköpulagsins á mismunandi stigum samsöfnunar. Undanfarinn áratug hefur verið þróun nýrra aðferða til að bæta staðbundna upplausn titringsrófsgreiningar sem sameina innrauða litrófsgreiningu og AFM til að ná upplausn á nanómetrakvarða.

Ein af nýlega þróuðu aðferðunum sem byggjast á AFM nýtir sér ljóshitavöldum ómun (PTIR), þar sem staðbundin varmaþensla sem stafar af innrauða frásog sýnis er skynjað með AFM þjórfé 32-35. Photothermal AFM-IR fer þannig framhjá upplausnarmörkum í hefðbundinni IR smásjá með því að nota oddinn á AFM nema til að mæla innrauða frásog. Frásog geislunar með resonant örvun innrauðs hams leiðir til hitauppstreymis á sýninu, sem framleiðir hvatvísan kraft á AFM cantilever. Svörun AFM rannsakans sem myndast er í réttu hlutfalli við innrauða gleypni og skönnun á bylgjulengdinni gefur innrauða frásogsróf sem samsvarar nanóskala svæði sýnisins (Mynd 1).

Þannig, ólíkt hefðbundinni sjóntækni, getur AFM-IR skoðað mannvirki á nanóskala með áður óþekktum efnafræðilegum smáatriðum og sameinar það besta af báðum heimum: staðbundna upplausn AFM og efnaupplausn innrauða. Þó AFM-IR hafi verið notað til að rannsaka söfnun amyloidogenic peptíða eins og beta-amyloid og alfa synuclein 35-38, hefur það aldrei verið notað til að rannsaka samsöfnun tau. Í þessari rannsókn nýtum við hæfileika AFM-IR og könnum trefjar tau-441 myndbrigðisins á mismunandi stigum samsöfnunar til að sýna fram á að á fyrstu stigum samsöfnunar er umtalsverð misleitni í fibrilla uppbyggingu jafnvel án verulegra breytinga í formfræði. Niðurstöður okkar sýna í fyrsta skipti að það getur verið undirliggjandi munur á efri byggingu þráða sem sýna sömu formgerð. Margar byggingarfræðilega aðgreindar fibril polymorphs sjást; einn skipulagðara en hinir, sem einnig er skammvinn og finnst ekki í þroskuðum þráðum. Ennfremur sýnum við einnig fram á að tau fibrils geta innihaldið antiparallel beta blöð, sem eru venjulega ekki tengd við fibrillar formology.

Til að skilja uppbyggingu þráða með tímanum rannsökuðum við þráðir á mismunandi tímapunktum samsöfnunar, þ.e. eftir 3, 5, 10 og 15 daga samsöfnun. Fyrir hverja mælingu voru deilur settir á gyllt undirlag og þurrkaðir undir köfnunarefni. AFM staðfræðilegar myndir af tau fibrils eftir 3 daga ræktun við 37 gráður eru sýndar á mynd 2. Mynd 2A sýnir dæmigerða fibril klasa. Fleiri AFM myndir af einstökum þráðum á öllum mismunandi söfnunarstigum eru sýndar á mynd S1-S5. Til að fá heildarhæðardreifingu þráðanna í sýninu voru hæðargildi einstakra þráða mæld og teiknuð sem súlurit (mynd 2B). Gögnin voru sett með Gauss til að ákvarða meðalhæðargildi 6,3±0,7 nm. AFM myndir af 5-dagstrefjum og samsvarandi hæðargreiningu eru sýndar á mynd 2C-D. Einstakar fibrils ásamt fibril klasa sést. Hæð fibrilsins er 6,5±0,9 nm sem helst nálægt hæðinni á 3-dags fibril sýninu.

Næst voru tau fibrils með {{0}}daga ræktun rannsakað (Mynd 2E-F). Einstakar fibrils sáust á gullyfirborði (Mynd 2E). Meðalhæð 10-dagaþráða er 7,2±1,0 nm. Þroskaðir tau fibrils, myndaðir eftir 15 daga samsöfnun, eru sýndar á mynd 2G. 15-Dagtiðlin eru löng og flækt hver við aðra og mynda netlaga formgerð. Á þessu stigi samsöfnunar eru aðskildar trefjar ekki lengur sýnilegar. Meðalhæð fibril er 42,5±40,5 nm (Mynd 2H) sem er marktækt hærra samanborið við aðrar fibrils sem hafa myndast á fyrri tímapunktum. Breið dreifing hæðar þráða bendir til þess að þroskaðir þráðar séu með mismunandi hæðargildi, öfugt við þrönga dreifingu fyrri tauga. The fibrillar uppbygging sem sést hér er í samræmi við fyrri AFM skýrslur um tau aggregation11, 39-40. Önnur mikilvæg athugun frá AFM mælingum er að tau fibril sem myndast í lausninni eru einsleit í formgerð.

Þeir eru beinir, skortir hvers kyns greinótta eða snúna sköpulag, með lágmarksbreytingum á hæð innan eins fibril. Með þroskun fibril sjáum við aukningu á fibril hæð, en engin ný formgerð myndast. Þetta er hægt að sjá fyrir sér á mynd S5, þar sem 3-dags- og 10-dagsfléttuform eru sýnd á regnbogalitakorti, sem sýnir að þær hafa lágmarksbreytingar á hæð innan eins fibril. Þó að þráðirnir sýni ekki neinn marktækan formfræðilegan mun, innihalda IR litróf þráða á nanóskala verulegan mun.

Nánar tiltekið, fyrir 3-dagstrefjarnar sjáum við þrjár mismunandi fibril fjölbreytileika með mismunandi litróf. Fyrir 5-daga, 10-daga og 15-daga þroskaða þráða, sjáum við aðeins eina lögun. Við athugum að venjulega er fjölbreytileiki notaður til að tákna formfræðilega aðgreindar fibrils sem geta einnig verið mismunandi varðandi sameindabyggingu2, 26; í okkar tilviki er formgerðin óbreytileg, en hægt er að flokka fibrils í þrjár aðskildar undirgerðir út frá litrófum þeirra. Til glöggvunar vísum við til þessara mannvirkja/fjölforma sem tegund 1, tegund 2 og tegund 3 í sömu röð fyrir restina af þessari grein. Dæmigerð innrauð litróf á amíð-I sviðinu eru sýnd á mynd 3. Litrófin eru meðaltal margra mælinga sem teknar eru eftir endilöngu fibrilunum. Fleiri litróf eru veittar í stuðningsupplýsingunum (Mynd S6). Litróf 3-dagstrefjategundar-1 inniheldur áberandi topp við ~1628cm−1 og minni öxl við ~1670cm−1.

Að auki má sjá veikt band við ~1740 cm-1. Litróf fibril tegundar-2 er verulega frábrugðið og inniheldur breikkað ósamhverft amíð-I band með miðju á ~1650 cm-1. Enginn marktækur styrkur sést yfir 1700cm−1. Fyrir fibril tegund-3 sjáum við amíð-I litróf sem er mjög líkt tegund-2, með einni stórri undantekningu: tilvist áberandi bands við ~1738 cm-1. Athyglisvert er að fibrill litróf, nema tegund -1 fjölbreytileika, innihalda ekki skarpan topp við dæmigerða beta sheet tíðni sem er ~1630cm−1, jafnvel þó vitað sé að fibrillar aggregates séu in-register parallel beta blöð. Víðtækari línubreidd sem sést fyrir tegund 2 og tegund 3 fibrils, auk þess að skortur á skörpum toppi við beta sheet tíðni, myndi benda til þess að burðarvirki sé til staðar.

Athyglisvert er að við fundum ekki neina meiriháttar breytileika í litrófum meðfram einum þráði (Mynd S5), sem gefur til kynna að þráðarnir séu vel skilgreindar mannvirki og hafi innri burðargetu. Það skal tekið fram í þessu samhengi að það eru breytileikar í litrófum eftir þráðum, sérstaklega fyrir tegund -3 þráða eins og sést af stærra litrófsstaðalfráviki (mynd 3). Hins vegar er aðalmunurinn á milli undirgerðanna þriggja trefja hvað varðar styrkleika bönda við 1628cm-1 og 1738cm-1. Afbrigðin sem nefnd eru hér að ofan hafa ekki áhrif á flokkun fibrilla í eina undirtegund eða aðra.

5-dagar, 10-dagar og 15-dagar þroskaðir treflar sýna ekki litrófsmisleitni og ein fjölbreytni sést fyrir hvert tilvik (mynd 3). 5-dægurtrefjasviðið færist örlítið (~6cm−1) í hærri bylgjutölur samanborið við tegund 2 og tegund 3 þráða og sýnir einnig aukna línubreidd. 10-dags- og 15-dagsþroskaðar þráðar eru með litróf sem eru svipaðar og í týpu 2, þar sem þær síðarnefndu færðust yfir í hærri bylgjutölur um ~4cm−1. Allar 5-dagar, 10-dagar og 15-dagar þráður skortir sérstakan topp yfir 1700 cm-1.

Lykilinnsýn frá fibril litrófinu er að á fyrstu stigum þroska getur verið veruleg misleitni í fibril uppbyggingu og við þroska þróast fibril í eina byggingu. Hins vegar er erfitt að skilja nákvæmlega undirliggjandi skipulagsbreytingar út frá skoðun litrófsins einni saman. Þess vegna, til að öðlast frekari innsýn í litrófs- og byggingarbreytingar á milli fjölbrigðanna sem sáust, voru litrófin afbeygð í gegnum litrófsaðlögunina. Amíð I litróf próteina innihalda venjulega framlag frá mismunandi aukabyggingum41-42.

Þar sem efri uppbyggingin sem stuðlar að hverju litrófsins sem sést er ekki nákvæmlega þekkt fyrirfram, snerum við okkur að öðru afleiddu litrófinu til að ákvarða fjölda toppa (Mynd S8). Að nota seinni afleiðu litrófsgagna til að ákvarða undirliggjandi toppa er vel þekkt aðferð í litrófsgreiningu43-44. Við notuðum fjölda toppa í seinni afleiðu litrófinu og samsvarandi tíðni þeirra sem upphafspunkt fyrir litrófsaðlögun. Niðurstöður aðlögunar fyrir meðalróf 3-dags, 5-dags, 10-dags og 15-dags þroskuðu þráðanna eru sýndar á mynd 4A-F. Hlutfallshlutfall tindanna til heildarrófsins er sýnt á mynd 4G-L. Litrófið er staðlað á hámarksstyrk, en það skalar hvert undirband jafnt fyrir tiltekið litróf. Þess vegna hafa hlutfallslegir hópar böndanna, eins og sýnt er á myndum 4G-L, ekki áhrif á normalization. Passunarfæribreyturnar eru gefnar upp í stuðningstöflu 1.

Fyrir tegund-1 3-dagstrefja passa þrjú Gauss-bönd bæði litrófið með mikilli tryggð, með miðtíðni við 1628cm−1, 1659cm−1 og 1670cm−1. Tegund-2 3-dagstrefjasviðsins passar við fimm undirliggjandi bönd, með tíðni 1626cm−1, 1642cm−1, 1662cm−1, 1680cm−1, og 1694cm−1. Eins og búist er við af litrófslíkingunni, passar tegund-3 fibril í sömu fimm böndin en krefst einnig viðbótartopps við 1736 cm-1. Með því að útvíkka litrófsgreiningu okkar yfir á þroskaðari þráða, sjáum við að 5-dags-, 10-dags- og 15-dagaþráður innihalda allar í meginatriðum sömu dreifingu aukabygginga. 5-dags-, 10-dags- og 15-dagstrefjalitrófið þurfa öll sex bönd til að passa sem best, þar sem hábylgjutoppurinn færist í ~1725cm−1, og hinir fimm topparnir eru svipuð tegundinni-2 þráðum.

Hægt er að rekja 1626-1628cm−1 toppinn í öllum sniðunum til betablöð, sem gefur til kynna að allar fibrillar polymorphs innihalda beta sheet structure28, 30, 41-42. 1642cm-1 toppurinn kemur venjulega frá handahófskenndum spólum, en topparnir við ~1660cm−1 og 1682cm−1 eru venjulega úthlutaðir beta beygjur 41-42. Samanlagt gefur litrófsrofnun til kynna að við þroska sé meiri röskun í fibril uppbyggingu, eins og sést af aukningu á tilviljunarkennda spólutoppnum miðað við beta-blaðstoppinn. Tilvist beta-beygja og hlutfallsleg aukning þeirra, sem sést af styrkleika 1660cm−1 þétta toppsins, er í samræmi við væntanlega kross-beta uppbyggingu fibrilanna. Tilvist bönda við ~1694cm−1 og ~1725cm−1 eru hins vegar nokkuð óvænt. Hið fyrra hefur venjulega verið rakið til hliðstæðra betablöða41-42, 45 og hefur sést í beta-amyloid45-46 og alfa-synuclein oligomers38. Þó að andhliðstæða beta-blaðsbyggingar séu þekktar fyrir oligomeric amyloid samsetningar, hefur tilvist þeirra í fibrils sjaldan sést. 2D IR rannsóknir hafa bent á antiparallel beta-sheet undirskriftir í synuclein fibrils47; sérstakir stökkbrigði beta-amyloids sýna einnig andhliðstæða beta-sheet uppbyggingu47. Niðurstöður okkar, eftir því sem við best vitum, eru fyrsta athugunin á andhliðstæða beta-blöðum fyrir tau-samlagnir. Andhliðstæða beta-blaðstoppurinn er áberandi fjarverandi í tegundinni -1 fjölbreytileika. Þetta bendir til þess að fibrils geti tileinkað sér annað hvort stífa, vel skipaða uppbyggingu (polymorph type-1) sem er fyrst og fremst samhliða betablöð en aukinn sveigjanleiki og/eða truflun í uppbyggingu getur leitt til myndunar andhliðstæða betablöð.

Hins vegar er mikilvægt að hafa í huga að ~1626cm−1 toppurinn færist venjulega ekki marktækt á milli samhliða og antiparallel beta blaða. Niðurstöður okkar útiloka því ekki möguleikann á samhliða betablöðum í neinum þráðum þar sem ~1694cm-1 toppurinn sést. Hámarkið við ~1725cm−1 er ekki hægt að rekja til amíð titrings í hryggjarliðinu og stafar líklegast af COOH teygju hliðarkeðju karboxýlsýra41-42. Nýleg vinna frá Pinto og félögum hefur sýnt fram á aðferðir til að reikna út IR litróf karbónýlbands COOH hóps aspartínsýru með því að nota blendinga skammtafræði/klassískar reikniaðferðir48. Niðurstöður þeirra hafa sýnt að rótónýta hliðarkeðjan birtist á svæðinu 1700-1780 cm−1 og tíðnibreyting upp á 5-10 cm−1 er hægt að nota sem rannsakandi fyrir samspil hliðarkeðjunnar og burðarás. Tau 441 peptíð röðin hefur margar karboxýlsýrur, þar á meðal í örpíplumbindandi endurteknum lénum, ​​sem sýnt hefur verið fram á að hafa mikla tilhneigingu til að mynda beta blöð5-6.

AFM-IR mælingar á öðrum amyloid efnasamböndum hafa bent á svipaða toppa36, sem hafa verið kenndir við karboxýlsýrur. Hins vegar er þetta karboxýlsýruband meira áberandi í sumum þráðum en öðrum: framlag þess til heildartoppsins er aðeins mikilvægast fyrir tegundina-3 3-dagstif og 5-dagstrefil, eins og sjá má í Mynd 4. Í innrauðri litrófsgreiningu leiðir tvískauta röðun í skipulögðum mannvirkjum oft til aukinnar styrkleika frásogsbanda; viðeigandi dæmi er myndun pöntaðra betablaða úr óröðuðum peptíðum, sem leiðir til skarpra ákafa bönda við ~1625cm−1. Þannig stafar tilvist sterkra karboxýlsýrubanda hugsanlega af uppbyggingu glútamín- og asparaginsýru hliðarkeðja. Hins vegar eru margar karboxýlat hliðarkeðjur í tau-446 og sérstakar sameindavíxlverkanir þeirra og stefnur eru ekki nákvæmlega þekktar fyrir uppbygginguna sem sést hér.

Ennfremur er styrkleiki AFM-IR litrófsins í réttu hlutfalli við FTIR32-33, en ekki hefur verið greint frá tölulegum fylgnistuðli milli AFM-IR og FTIR fyrir titring á karboxýlsýru. Þess vegna, að tengja hámarksstyrkinn við sérstakar karboxýl hliðarkeðjur þyrfti fræðilega útreikninga/íhugun á AFM-IR svörun sem eru utan umfangs þessarar vinnu. Það er einnig mikilvægt að hafa í huga í þessu samhengi að AFM-IR mælingar eru frábrugðnar samsætu innrauðum litrófum sem eru fengnar í lausn, og litróf sem mæld eru í AFM-IR eru sambland af leysiskautun og uppsetningu lýsingar49-50. Þess vegna er erfitt að greina nákvæmlega undirstöðu þessa topps og frekari rannsóknir eru nauðsynlegar til að ákvarða nákvæmlega uppruna þeirra. Við stefnum að því að taka á þessu í framtíðinni.

Samsöfnun tau myndhverfa in vitro hefur verið rannsökuð ítarlega; þó er uppbygging snemma og/eða skammvinnra milliefna ekki mjög vel þekkt. Oligomeric tegundir í amyloid prótein aggregation hafa verið auðkennd til að vera annaðhvort á eða utan leið í átt að fibril myndun. Þar sem talið er að fibrils séu endapunktur samloðunarinnar, er almennt ekki talið að fibrilbyggingar, þar á meðal mismunandi fjölbreytileikar þeirra, séu tímabundnir eða utan brautar. Vitað er að misleitni í fibrilla uppbyggingu er fyrir hendi en vitað hefur verið að hann birtist samhliða formfræðilegum breytingum2, 8, 26, 51. Niðurstöður okkar eru einstakar að því leyti að þær benda til breytileika í aukabyggingu fibrilla jafnvel þegar enginn sjáanlegur formfræðilegur munur er . Við tökum eftir því að nema þráðategund -1, innihalda öll þráðaróf sama mengi undirliggjandi bönda, sem gefur til kynna að tegundin -1 þráður er skammvinnt milliefni sem á endanum gengur í gegnum endurskipulagningu með þroska. Annar möguleiki er að þessir raða samhliða beta-sheet fjölbreytileikar tákna 'off-pathway' uppbyggingu, það verður að sundrast í einliða eða prefibrillar einingar til að vera aftur samþætt í 'on-pathway' fibrils. Við fundum enga marktæka tilvist utan trefjaútfellinga í sýnunum sem rannsökuð voru; Hins vegar voru þeir sem voru til staðar með litróf sem líkjast meira röskuðu fibrils (Mynd S9). Þetta er í samræmi við tilgátuna utan brautar og gefur því til kynna að hægt sé að líta á hina 3-daga fjölbreytileikana sem sést hafa sem samsöfnun á brautinni.

Hins vegar verður að taka fram að fibril litrófið sem greint er frá hér fanga ekki endilega alla sköpulagssamstæðuna sem ríkir við samsöfnun tau. Til að skýra nákvæmlega burðarþroska söfnunar á fyrstu stigum í þroskuð fibrils, er ítarlegri greining á samsöfnunarhvarfafræði nauðsynleg, sem við stefnum að því að takast á við í framtíðinni. Önnur forvitnileg athugun sem AFM-IR gerir kleift er að bera kennsl á antiparallel beta blöð í þroskuðum fibrils. Það er almennt talið og hefur verið sýnt fram á af mörgum rannsóknum, að amyloid einingar á byrjunarstigi geti innihaldið andhliðstæða uppbyggingu, sem breytist í samhliða beta-sheet secbeta-sheetucture í fullþroska fyllingu. Við fylgjumst með gagnstæðri tilhneigingu: einingar á fyrstu stigum geta innihaldið pöntuð samhliða betablöð á meðan þroskaðri fibrils innihalda antiparallel beta-sheet beta-blöð sem sést af hlutfallslegum þýðum samsvarandi topps (myndir 4G-L).

Í stuttu máli höfum við sýnt fram á með því að nota AFM-IR litrófsgreiningu á nanóskala að tau fibrils geta haft verulegar byggingarbreytingar, sérstaklega á fyrstu stigum samsöfnunar. Misleitnin kemur fram í formi byggingarlega aðgreindra fjölbrigða, sem sýna svipaða formgerð en mismunandi aukabyggingu. Nánar tiltekið greinum við skammvinnt skipað samhliða beta-sheebeta-sheet í frumstigum fibrils, sem við þroska þróast í óreglulegri fibril uppbyggingu sem inniheldur antiparallel beta lak. Þessar niðurstöður undirstrika nauðsyn þess að tengja litrófsgreiningu við staðbundna tækni eins og AFM, þar sem ekki er ótvírætt hægt að taka þessa ákvörðun út frá staðbundinni meðaltali tækni eins og FTIR. Tilraunaniðurstöðurnar sem lýst er í þessari rannsókn sýna að tau fibrillar aggregatarnir eru ólíkir og framtíðarvinna mun fjalla um hvort þessi fjölbreytni haldist við mismunandi samsöfnunaraðstæður og í sáðsamloðun frá heilalýsum til að skilja þýðingu þeirra í samhengi við mismunandi tauopathies.

Viðbótarefni

Skoðaðu vefútgáfuna á PubMed Central fyrir viðbótarefni.

VIÐURKENNING

Þessi vinna var studd af National Institute of Health (Verðlaun 1 R35 GM138162 til AG).

HEIMILDIR

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 prótein offosfórun og samsöfnun í Alzheimerssjúkdómi og öðrum tauopathies, og hugsanlegar taugaverndaraðferðir. Biomolecules 2016, 6 (1), 6–6. [PubMed: 26751493]

2. Li D; Liu C Stigveldi efnafræðileg ákvörðun amyloid fjölbreytileika í taugahrörnunarsjúkdómum. Nature Chemical Biology 2021, 17 (3), 237–245. [PubMed: 33432239]

3. Kametani F; Hasegawa M endurskoðun á amyloid tilgátu og Tau tilgátu við Alzheimerssjúkdóm. Frontiers in Neuroscience 2018, 12 (25).

4. Iadanza MG; Jackson þingmaður; Hewitt EW; Ranson NA; Radford SE Nýtt tímabil til að skilja amyloid uppbyggingu og sjúkdóma. Nature Reviews Molecular Cell Biology 2018, 19 (12), 755–773. [PubMed: 30237470]

5. Ballatore C; Lee VMY; Trojanowski JQ Tau-miðluð taugahrörnun í Alzheimerssjúkdómi og tengdum kvilla. Nature Reviews Neuroscience 2007, 8 (9), 663–672. [PubMed: 17684513]

6. Kolarova M; Garc; #00ED; a-Sierra F; Bartos A; Ricny ​​J; Ripova D uppbygging og meinafræði Tau próteins í Alzheimer sjúkdómi. International Journal of Alzheimer's Disease 2012, 2012, 13.

7. Tapiola T; Alafuzoff I; Herukka SK; Parkkinen L; Hartikainen P; Soininen H; Pirttilä T heila- og mænuvökvi -Amyloid 42 og Tau prótein sem lífmerki um meinafræðilegar breytingar af Alzheimer-gerð í heilanum. 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-Reidue Tau at Single Residue Resolution. PLOS líffræði 2009, 7 (2), e1000034.

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

10. Fitzpatrick AWP; Fálki B; Hann S; Murzin AG; Murshudov G; Garringer HJ; Crowther RA; Ghetti B; Goedert M; Scheres SHW Cryo-EM uppbyggingu tau þráða frá Alzheimerssjúkdómi. Náttúra 2017, 547 (7662), 185–190. [PubMed: 28678775]

11. Makky A; Bousset L; Madiona K; Melki R Atomic Force smásjármyndgreining og nanóvélrænir eiginleikar sex Tau Isoform samsetningar. 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 ein ofurnæm prófun til að greina og mismuna tau-samstæður Alzheimers og Pick sjúkdóma. Acta Neuropathologica Communications 2020, 8 (1), 22. [PubMed: 32087764]

13. Haili Z; Meng SR; Fan JB; Chen J; Liang Y fibrillization of Human Tau er flýtt fyrir útsetningu fyrir blýi með samskiptum við 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 stökkbreytingar á Tau próteini í frontotemporal dementia stuðla að samsöfnun pöruðum þyrilþráðum með því að auka staðbundna uppbyggingu. The Journal of biological chemistry 2002, 276, 48165–74.

15. Frost B; Ollesch J; Wille H; Diamond MI Conformational Fjölbreytileiki villigerða Tau fibrils tilgreindar með sniðmátsbreytingu. 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 Conjugated with Ruthenium(II) Complex Scaffold. The Journal of Physical Chemistry B 2020, 124 (12), 2343–2353. [PubMed: 32130010]

17. Prokopovich DV; Whittaker JW; Muthee MM; Ahmed A; Larini L Áhrif fosfórunar og gervifosfórunar á fyrstu stigum söfnunar á örpíplum tengdu próteini 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 endalokun á amyloidogenic Tau broti breytir tiftilhneigingu þess. The Journal of Physical Chemistry B 2020, 124 (40), 8772–8783. [PubMed: 32816481]

19. Rojas AV; Maisuradze GG; Scheraga HA Háð myndun Tau og A-peptíðblandaðs aggregats á aukabyggingu N-endasvæðis A. The Journal of Physical Chemistry B 2018, 122 (28), 7049–7056. [PubMed: 29940109]

20. Qi R; Luo Y; Wei G; Nussinov R; Ma BA "teygja-og-pökkun" kross-sáningu vélbúnaður getur kallað Tau prótein söfnun. The Journal of Physical Chemistry Letters 2015, 6 (16), 3276–3282.

21. Gera TD; Economou NJ; Chamas A; Buratto SK; Shea JE; Bowers MT Milliverkanir á milli amyloid- og Tau-brota stuðla að afbrigðilegum efnasamböndum: Áhrif á amyloid eituráhrif. 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 prótein ísóform, fosfórun og hlutverk í taugahrörnunarsjúkdómum. Heilarannsóknir 2000, 33 (1), 95–130. [PubMed: 10967355]

23. Luo Y; Ma B; Nussinov R; Wei G burðarvirk innsýn í þversögn Tau próteins um innri truflun hegðunar, sjálfsasetýleringarvirkni og aggregation. 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 vökvi–vökvafasaskilnaður Tau próteins er kóðaður á einómera stigi. The Journal of Physical Chemistry Letters 2021, 12 (10), 2576–2586. [PubMed: 33686854]

25. Goux WJ; Kopplin L; Nguyen AD; Leki K; Rutkofsky M; Shanmuganandam VD; Sharma D; Inouye H; Kirschner DA Myndun beinna og snúinna þráða úr stuttum Tau peptíðum. Journal of Biological Chemistry 2004, 279 (26), 26868–26875.

26. Fändrich M; Nyström S; Nilsson KPR; Böckmann A; LeVine H 3.; Hammarström P Amyloid fibril polymorphism: áskorun fyrir sameindamyndatöku og meðferð. J Intern Med 2018, 283 (3), 218–237. [PubMed: 29360284]

27. Härd T Amyloid fibrils: Myndun, fjölbreytni og hömlun. The Journal of Physical Chemistry Letters 2014, 5 (3), 607–614. [PubMed: 26276617]

28. Martial B; Lefèvre T; Auger M Skilningur á amyloid fibril myndun með því að nota próteinbrot: byggingarrannsóknir með titringslitrófsgreiningu og solid-state NMR. Biophys Rev 2018, 10 (4), 1133–1149. [PubMed: 29855812]

29. Eisenberg DS; Sawaya MR byggingarrannsóknir á amyloid próteinum á sameindastigi. Annual Review of Biochemistry 2017, 86 (1), 69–95.

30. Moran SD; Zanni MT Hvernig á að fá innsýn í amyloid uppbyggingu og myndun frá innrauðri litrófsgreiningu. The Journal of Physical Chemistry Letters 2014, 5 (11), 1984–1993. [PubMed: 24932380]

31. Tycko R NMR rannsóknir á amyloid fibril uppbyggingu. Annual Review of Physical Chemistry 2011, 62 (1), 279–299.

32. Dazzi A; Prater CB AFM-IR: Tækni og forrit í innrauðri litrófsgreiningu á nanóskala og efnafræðilegri myndgreiningu. Chemical Review 2017, 117 (7), 5146–5173. [PubMed: 27958707]

33. Dazzi A; Prater CB; Hu Q; Chase DB; Rabolt JF; Marcott C AFM-IR: Sameining atómkrafts smásjárskoðunar og innrauðrar litrófsgreiningar fyrir efnagreiningu á nanóskala. Appl. Spectrosc. 2012, 66 (12), 1365. [PubMed: 23231899]

For more information:1950477648nn@gmail.com