Polimorf Yang Berbeda Secara Struktural Dari Agregat Tau Diungkap Dengan Spektroskopi Inframerah Berskala Nano

Abstrak

Agregasi protein tau memainkan peran sentral dalam beberapa penyakit neurodegeneratif yang secara kolektif dikenal sebagai tauopati, termasuk penyakit Alzheimer dan Parkinson. Tau salah melipat menjadi struktur lembaran beta fibrillar yang merupakan filamen heliks berpasangan yang ditemukan dalam kekusutan Neurofibrillary. Diketahui bahwa mungkin ada heterogenitas struktural yang signifikan dalam agregat tau yang terkait dengan berbagai penyakit.

Namun, sementara struktur fibril dewasa telah dipelajari, distribusi struktural pada agregat tau tahap awal tidak dipahami dengan baik. Dalam penelitian ini, kami menggunakan AFM-IR untuk menyelidiki spektrum skala nano dari fibril tau individu pada berbagai tahap agregasi dan menunjukkan adanya beberapa polimorf fibrillar yang menunjukkan struktur sekunder yang berbeda. Kami selanjutnya menunjukkan bahwa fibril dewasa mengandung sejumlah besar lembaran beta antiparalel. Hasil kami adalah aplikasi pertama dari spektroskopi inframerah skala nano untuk agregat tau dan menggarisbawahi janji spektroskopi inframerah yang diselesaikan secara spasial untuk menyelidiki agregasi protein.

Penyakit Alzheimer adalah penyakit neurodegeneratif dengan insiden tinggi, dan gambaran patologis utamanya adalah hilangnya neuron dan sinapsis yang parah serta akumulasi protein -amyloid (-amyloid) dan Tau (protein terkait mikrotubulus) di otak. Protein ini membentuk struktur fibril yang matang selama perkembangan penyakit, dan serat protein dari struktur ini dapat menyebabkan kematian neuron dan penurunan kognitif. Fibril dewasa memainkan peran yang lebih parah dalam pembentukan penyakit daripada protein -amyloid dan Tau. Ini karena pembentukan fibril dewasa adalah titik akhir dari mekanisme patogenik, yang selanjutnya memperburuk hilangnya neuron dan sinapsis selama perkembangan penyakit dan mempercepat perkembangan penyakit. Oleh karena itu, untuk penelitian dan pengembangan pengobatan penyakit Alzheimer, penelitian dan eksplorasi fibril dewasa juga menjadi hotspot penelitian. Dalam penelitian kami, kami menemukan bahwa Cistanche efektif dalam mengobati penyakit Alzheimer. Cistanche mengandung antosianin dan flavonoid dalam jumlah besar, yang memiliki efek antioksidan kuat. Bahan-bahan tersebut dapat membantu mengurangi produksi radikal bebas dan melindungi sel-sel otak dari kerusakan oksidatif, sehingga mengurangi kemungkinan terjadinya neurodegenerasi.

Klik suplemen cistanche deserticola

Kata kunci

Tau; pengumpulan; penyakit Alzheimer; AFM-IR; spektroskopi IR skala nano; AFM; struktur serat; lembaran beta antiparalel.

Kesalahan lipatan dan agregasi protein tau menjadi agregat fibrillar adalah ciri patologis dari banyak penyakit neurodegeneratif yang disebut tauopati, termasuk penyakit Alzheimer dan Parkinson1-5. Tau adalah protein terkait mikrotubulus (MT) yang salah melipat menjadi simpanan seluler tak larut yang disebut Neurofibrillary Tangles (NFTs)1-2, 5-6.

Sementara bukti awal menunjukkan potensi neurotoksisitas NFT, sekarang diyakini bahwa rakitan oligomer prefibrillar adalah spesies neurotoksik utama3, 5-6. Penjelasan jalur fibrilasi tau spesifik dapat memberikan wawasan tentang mekanisme penyakit dan mengungkapkan target terapi potensial untuk penemuan obat. Upaya signifikan telah diinvestasikan untuk memahami agregasi tau dan peran berbagai faktor yang memodulasi agregasi1-2, 7-18. Peran protein amiloid lainnya misalnya, beta amiloid dalam mengubah konformasi tau juga telah diselidiki19-21. Diketahui bahwa filamen tau pada NFT memiliki struktur cross-beta yang mirip dengan plak amiloid. Namun, menjelaskan secara komprehensif evolusi struktural tau yang menghasilkan pembentukan fibril tetap menjadi tantangan.

Di otak manusia, enam isoform tau yang berbeda telah diidentifikasi yang berbeda mengenai jumlah residu asam amino2, 5, 22. Struktur isoform dan fibrilar yang dominan dapat bervariasi dengan penyakit2, 22. Semua isoform tau adalah polipeptida besar dan oleh karena itu menunjukkan struktural fleksibilitas. Oleh karena itu sejumlah besar minat penelitian telah difokuskan pada peptida pendek yang mewakili domain pengikat mikrotubulus, yang sangat penting untuk agregasi tau23-25 alih-alih protein panjang penuh. Selain itu, tau dan isoformnya menunjukkan polimorfisme: pada dasarnya agregat peptida yang sama menjadi struktur serat yang berbeda, yang berbeda tidak hanya dalam hal morfologi tetapi juga dalam hal susunan molekul8-9, 26-27. Semua faktor di atas membuat isolasi dan analisis struktural agregat tau spesifik yang terbentuk pada berbagai tahap agregasi menjadi tugas yang sulit. Sifat agregasi amiloid secara umum sedemikian rupa sehingga menghasilkan sejumlah besar spesies agregat yang bersifat sementara dan berada dalam kesetimbangan satu sama lain. Baru-baru ini cryo-EM telah berhasil diterapkan untuk memecahkan struktur tau fibrillar; namun, aplikasinya tetap terbatas pada fibril dewasa yang merupakan titik akhir agregasi, dan bukan perantara9-10.

Secara khusus, aspek struktural zat antara tau tahap awal tidak dipahami dengan baik. Standar emas untuk menentukan struktur sekunder agregat mirip amiloid, secara umum, adalah teknik spektroskopi seperti Resonansi Magnetik Nuklir keadaan padat (ssNMR) dan Spektroskopi Inframerah Transformasi Fourier (FTIR)15, 28-31. Namun, tidak satu pun dari teknik ini yang mampu memberikan resolusi spasial pada skala agregat individu, dan tanpa resolusi spasial, sulit untuk secara tegas mengaitkan fitur spektral dengan agregat atau morfologi tertentu atau menentukan spesies transien mana yang berevolusi menjadi morfologi tertentu. Pada dasarnya tidak mungkin untuk menentukan apakah fitur spektral yang diamati muncul dari keadaan agregasi tertentu atau campuran statistik dari konformasi yang berbeda.

Akibatnya, hanya struktur rata-rata oligomer dan fibril yang diketahui, dan variasi struktural heterogenitas dalam setiap keadaan, jika ada, tidak dipahami dengan baik. Untuk memajukan pengetahuan kita tentang agregasi tau dan protein amiloidogenik lainnya dalam kondisi yang berbeda, sangat penting untuk memahami struktur setiap anggota ansambel konformasi pada berbagai tahap agregasi. Dekade terakhir telah melihat pengembangan pendekatan baru untuk meningkatkan resolusi spasial spektroskopi getaran yang menggabungkan spektroskopi inframerah dengan AFM untuk mencapai resolusi skala nanometer.

Salah satu pendekatan berbasis AFM yang paling baru dikembangkan memanfaatkan resonansi yang diinduksi fototermal (PTIR), di mana ekspansi termal lokal yang dihasilkan dari penyerapan inframerah oleh sampel dirasakan oleh ujung AFM 32-35. AFM-IR fototermal dengan demikian melewati batas resolusi dalam mikroskop IR konvensional dengan menggunakan ujung probe AFM untuk mengukur penyerapan inframerah. Penyerapan radiasi melalui eksitasi resonansi mode inframerah menyebabkan ekspansi termal sampel, menghasilkan gaya impulsif pada kantilever AFM. Respons probe AFM yang dihasilkan sebanding dengan absorbansi inframerah, dan pemindaian panjang gelombang menghasilkan spektrum serapan inframerah yang sesuai dengan wilayah skala nano sampel (Gambar 1).

Dengan demikian, tidak seperti teknik optik konvensional, AFM-IR dapat memeriksa struktur berskala nano dengan detail kimia yang belum pernah ada sebelumnya dan menggabungkan yang terbaik dari kedua dunia: resolusi spasial AFM dan resolusi kimia inframerah. Sementara AFM-IR telah digunakan untuk mempelajari agregat peptida amiloidogenik seperti beta-amiloid dan alfa synuclein35-38, itu tidak pernah diterapkan untuk mempelajari agregasi tau. Dalam studi ini, kami memanfaatkan kemampuan AFM-IR dan menyelidiki fibril isomer tau-441 pada berbagai tahap agregasi untuk menunjukkan bahwa pada tahap awal agregasi, terdapat heterogenitas yang signifikan dalam struktur fibrilar bahkan tanpa variasi yang signifikan. dalam morfologi. Hasil kami menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa mungkin ada perbedaan mendasar dalam struktur sekunder fibril yang menunjukkan morfologi yang sama. Beberapa polimorf fibril yang berbeda secara struktural diamati; satu lebih terstruktur daripada yang lain, yang juga bersifat sementara dan tidak ditemukan pada fibril dewasa. Selain itu, kami juga menunjukkan bahwa tau fibril dapat mengandung lembaran beta antiparalel, yang biasanya tidak terkait dengan morfologi fibril.

Untuk memahami evolusi struktural fibril dengan waktu, kami menyelidiki fibril pada titik waktu agregasi yang berbeda, yaitu setelah 3, 5, 10, dan 15 hari agregasi. Untuk setiap pengukuran, alikuot diendapkan pada substrat emas dan dikeringkan dengan nitrogen. Gambar topografi AFM dari fibril tau setelah 3 hari inkubasi pada 37 derajat ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2A menunjukkan gugus fibril yang representatif. Lebih banyak gambar AFM dari masing-masing fibril pada semua tahap agregasi yang berbeda ditunjukkan pada Gambar S1-S5. Untuk mendapatkan distribusi tinggi keseluruhan dari fibril dalam sampel, nilai tinggi dari masing-masing fibril diukur dan diplot sebagai histogram (Gambar 2B). Data dilengkapi dengan Gaussian untuk menentukan nilai tinggi rata-rata 6,3±0,7 nm. Gambar AFM dari 5-day fibrils dan analisis ketinggian yang sesuai ditunjukkan pada Gambar 2C-D. Fibril individu bersama dengan kelompok fibril diamati. Tinggi fibril adalah 6,5±0,9 nm yang tetap mendekati tinggi sampel fibril 3-hari.

Selanjutnya, fibril tau dengan {{0}} hari inkubasi diperiksa (Gambar 2E-F). Fibril individu diamati pada permukaan emas (Gambar 2E). Tinggi rata-rata 10-hari fibril adalah 7,2±1,0 nm. Fibril tau matang, dihasilkan setelah 15 hari agregasi, ditunjukkan pada Gambar 2G. Fibril hari 15-panjang dan kusut satu sama lain menghasilkan morfologi seperti jaringan. Pada tahap agregasi ini, fibril yang terpisah tidak lagi terlihat. Tinggi rata-rata fibril adalah 42,5 ± 40,5 nm (Gambar 2H) yang secara signifikan lebih tinggi dibandingkan dengan fibril lain yang telah dihasilkan pada titik waktu sebelumnya. Distribusi tinggi fibril yang luas menunjukkan bahwa fibril dewasa memiliki nilai tinggi yang bervariasi, berbeda dengan distribusi sempit fibril sebelumnya. Struktur fibrillar yang diamati di sini konsisten dengan laporan AFM sebelumnya tentang agregasi tau11, 39-40. Pengamatan penting lainnya dari pengukuran AFM adalah bahwa fibril tau yang dihasilkan dalam larutan bersifat homogen dalam morfologinya.

Mereka lurus, tidak memiliki konformasi bercabang atau bengkok apa pun, dengan perubahan ketinggian minimal dalam satu fibril. Dengan pematangan fibril, kami melihat peningkatan tinggi fibril, tetapi tidak ada morfologi baru yang berkembang. Hal ini dapat divisualisasikan dalam Gambar S5, di mana morfologi fibril 3-hari dan 10-hari ditampilkan dalam peta warna pelangi, menunjukkan bahwa mereka memiliki perubahan ketinggian minimal dalam satu fibril. Sementara fibril tidak menunjukkan perbedaan morfologis yang signifikan, spektra IR skala nano dari fibril mengandung perbedaan yang signifikan.

Secara khusus, untuk fibril 3-hari kami mengamati tiga polimorf fibril yang berbeda dengan spektrum yang berbeda. Untuk fibril matang 5-hari, 10-hari, dan 15-hari, kami mengamati hanya satu konformasi. Kami mencatat bahwa biasanya polimorfisme digunakan untuk menandakan fibril yang berbeda secara morfologis yang juga dapat berbeda mengenai struktur molekul2, 26; dalam kasus kami morfologinya tidak berubah, tetapi fibril dapat dikategorikan menjadi tiga subtipe berbeda berdasarkan spektrumnya. Untuk kejelasan, kami mengacu pada struktur/polimorf ini masing-masing sebagai Tipe 1, Tipe 2, dan Tipe 3 untuk sisa artikel ini. Spektra inframerah representatif dalam kisaran amida-I ditunjukkan pada Gambar 3. Spektra adalah rata-rata dari beberapa pengukuran yang dilakukan sepanjang fibril. Lebih banyak spektrum disediakan dalam Informasi Pendukung (Gambar S6). Spektrum 3-tipe fibril hari-1 berisi puncak yang menonjol pada ~1628cm−1 dan bahu yang lebih kecil pada ~1670cm−1.

Selain itu, pita lemah dapat dilihat pada ~1740 cm-1. Spektrum tipe fibril-2 sangat berbeda dan mengandung pita amida-I asimetris yang diperluas yang berpusat pada ~1650 cm-1. Tidak ada intensitas signifikan yang teramati di atas 1700cm−1. Untuk tipe fibril-3, kami mengamati spektrum amida-I yang sangat mirip dengan tipe-2, dengan satu pengecualian utama: adanya pita yang menonjol pada ~1738 cm-1. Sangat menarik untuk dicatat bahwa spektra fibril, kecuali polimorf tipe-1, tidak mengandung puncak yang tajam pada frekuensi lembar beta tipikal ~1630cm−1, meskipun agregat fibrillar diketahui sebagai beta paralel dalam-register lembar. Linewidth yang lebih luas diamati untuk fibril tipe 2 dan tipe 3, selain kurangnya puncak yang tajam pada frekuensi lembar beta akan menunjukkan adanya gangguan struktural.

Menariknya, kami tidak menemukan varian besar dalam spektrum sepanjang satu fibril (Gambar S5), yang menunjukkan bahwa fibril adalah struktur yang terdefinisi dengan baik, dan memiliki gangguan struktural intrinsik. Perlu dicatat dalam konteks ini bahwa ada variasi spektrum sepanjang fibril, khususnya untuk fibril tipe-3 sebagaimana dibuktikan oleh deviasi standar spektral yang lebih besar (Gambar 3). Namun, perbedaan utama antara ketiga subtipe fibril adalah dalam hal intensitas pita pada 1628cm-1 dan 1738cm-1. Variasi yang disebutkan di atas tidak mempengaruhi klasifikasi fibril menjadi satu subtipe atau lainnya.

Fibril matur 5-hari, 10-hari, dan 15-hari tidak menunjukkan heterogenitas spektral, dan satu polimorf diamati untuk setiap kasus (Gambar 3). Spektrum fibril 5-hari sedikit bergeser (~6cm−1) ke bilangan gelombang yang lebih tinggi dibandingkan dengan fibril tipe 2 dan tipe 3 dan juga menunjukkan peningkatan linewidth. Fibril matang 10-hari dan 15-hari memiliki spektrum yang mirip dengan fibril tipe 2, dengan fibril yang terakhir bergeser ke bilangan gelombang yang lebih tinggi sebesar ~4cm−1. Semua fibril 5-hari, 10-hari, dan 15-hari tidak memiliki puncak yang jelas di atas 1700 cm-1.

Wawasan utama dari spektra fibril adalah bahwa selama tahap awal pematangan, dapat terjadi heterogenitas yang signifikan dalam struktur fibril, dan setelah pematangan, fibril berevolusi menjadi struktur tunggal. Namun, sulit untuk secara tepat memahami perubahan struktural mendasar yang tepat dari pemeriksaan spektrum saja. Oleh karena itu, untuk mendapatkan wawasan lebih lanjut tentang variasi spektral dan struktural antara polimorf yang diamati, spektra didekonvolusi melalui pemasangan spektral. Spektrum amida I dari protein biasanya mengandung kontribusi dari berbagai struktur sekunder41-42.

Karena struktur sekunder yang berkontribusi pada masing-masing spektrum yang diamati tidak diketahui secara pasti secara apriori, kami beralih ke spektrum turunan kedua untuk menentukan jumlah puncak (Gambar S8). Menggunakan turunan kedua dari data spektral untuk menentukan puncak yang mendasari adalah praktik terkenal dalam spektroskopi43-44. Kami menggunakan jumlah puncak dalam spektrum turunan kedua dan frekuensi yang sesuai sebagai titik awal untuk pemasangan spektral. Hasil kecocokan untuk spektrum rata-rata fibril dewasa 3-hari, 5-hari, 10-hari, dan 15-hari ditunjukkan pada Gambar 4A-F. Kontribusi persen dari puncak yang dipasang ke spektrum keseluruhan ditunjukkan pada Gambar 4G-L. Spektrum dinormalisasi ke intensitas maksimum, tetapi skala setiap sub-band sama untuk spektrum tertentu. Oleh karena itu populasi relatif dari pita, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4G-L, tidak terpengaruh oleh normalisasi. Parameter fit disediakan di Tabel Pendukung 1.

Untuk tipe-1 3-day fibrils, tiga pita Gaussian cocok dengan kedua spektrum dengan fidelitas tinggi, dengan frekuensi tengah pada 1628cm−1, 1659cm−1, dan 1670cm−1. Spektrum fibril tipe-2 3-hari sesuai dengan lima pita di bawahnya, dengan frekuensi 1626cm−1, 1642cm−1, 1662cm−1, 1680cm−1, dan 1694cm−1. Seperti yang diharapkan dari kesamaan spektral, tipe-3 fibril cocok dengan lima pita yang sama tetapi juga memerlukan puncak tambahan pada 1736 cm-1. Memperluas analisis dekonvolusi spektral kami ke fibril yang lebih matang, kami melihat bahwa 5-hari, 10-hari, dan 15-hari fibril pada dasarnya mengandung distribusi struktur sekunder yang sama. Spektra fibril 5-hari, 10-hari, dan 15-hari semuanya membutuhkan enam pita untuk pemasangan optimal, di mana puncak bilangan gelombang tinggi bergeser ke ~1725cm−1, dan lima puncak lainnya adalah mirip dengan tipe-2 fibril.

1626-1628puncak cm−1 di semua kecocokan dapat dikaitkan dengan lembaran beta, yang menunjukkan bahwa semua polimorf fibrillar mengandung struktur lembaran beta28, 30, 41-42. Puncak 1642cm-1 biasanya muncul dari gulungan acak, sedangkan puncak pada ~1660cm−1 dan 1682cm−1 biasanya ditetapkan untuk putaran beta 41-42. Secara bersama-sama, dekonvolusi spektral menunjukkan bahwa setelah pematangan, ada lebih banyak gangguan pada struktur fibril, sebagaimana dibuktikan dengan peningkatan puncak koil acak relatif terhadap puncak lembaran beta. Kehadiran belokan beta dan peningkatan relatifnya, dibuktikan dengan intensitas puncak pas 1660cm−1, konsisten dengan struktur beta silang yang diharapkan dari fibril. Akan tetapi, kehadiran pita pada ~1694cm−1 dan ~1725cm−1 agak tidak terduga. Yang pertama biasanya dikaitkan dengan lembaran beta antiparalel41-42, 45 dan telah diamati pada beta amyloid45-46 dan oligomer alfa-sinuklein38. Sementara struktur lembaran beta antiparalel dikenal dengan rakitan amiloid oligomer, keberadaannya dalam fibril jarang diamati. Studi IR 2D telah mengidentifikasi tanda tangan lembar beta antiparalel dalam fibril synuclein47; mutan spesifik beta-amyloid juga menunjukkan struktur lembaran beta antiparalel47. Hasil kami, sepengetahuan kami, adalah pengamatan pertama lembar beta antiparalel untuk agregat tau. Puncak lembar beta antiparalel secara mencolok tidak ada dalam polimorf tipe-1. Hal ini menunjukkan bahwa fibril dapat mengadopsi struktur kaku yang tertata dengan baik (tipe polimorf-1) yang terutama merupakan lembaran beta paralel tetapi peningkatan fleksibilitas dan/atau gangguan struktural dapat menyebabkan pembentukan lembaran beta antiparalel.

Namun, penting untuk dicatat bahwa puncak ~1626cm−1 biasanya tidak bergeser secara signifikan antara lembaran beta paralel dan antiparalel. Oleh karena itu, hasil kami tidak mengesampingkan kemungkinan lembaran beta paralel di salah satu fibril di mana puncak ~ 1694cm−1 diamati. Puncak pada ~1725cm−1 tidak dapat dikaitkan dengan vibrasi amida backbone, dan kemungkinan besar muncul dari bentangan COOH dari asam karboksilat rantai samping41-42. Karya terbaru dari Pinto dan rekan kerja telah mendemonstrasikan strategi untuk menghitung spektrum IR dari pita karbonil gugus COOH asam aspartat menggunakan metode komputasi kuantum/klasik hibrid48. Temuan mereka menunjukkan bahwa rantai samping terprotonasi muncul di wilayah 1700-1780 cm−1 dan pergeseran frekuensi 5-10 cm−1 dapat digunakan sebagai penyelidikan untuk interaksi antara rantai samping dan rantai samping. tulang punggung. Urutan peptida Tau 441 memiliki banyak asam karboksilat, termasuk dalam domain berulang pengikat mikrotubulus, yang telah terbukti memiliki kecenderungan tinggi untuk membentuk lembaran beta5-6.

Pengukuran AFM-IR dari agregat amiloid lainnya telah mengidentifikasi puncak yang serupa36, yang dikaitkan dengan asam karboksilat. Namun, pita asam karboksilat ini lebih menonjol di beberapa fibril daripada yang lain: kontribusinya terhadap keseluruhan puncak paling signifikan hanya untuk jenis-3 3-day fibril dan 5-day fibril, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 4. Dalam spektroskopi inframerah, penyelarasan dipolar dalam struktur teratur sering menyebabkan peningkatan intensitas pita serapan; contoh yang relevan adalah pembentukan lembaran beta terurut dari peptida tak terurut, yang mengarah ke pita intens tajam pada ~1625cm−1. Dengan demikian, keberadaan pita asam karboksilat yang kuat mungkin muncul dari susunan struktural rantai samping asam glutamat dan aspartat. Namun, ada banyak rantai samping karboksilat di tau-446, dan interaksi serta orientasi molekul spesifiknya tidak diketahui secara tepat untuk struktur yang diamati di sini.

Selain itu, intensitas dalam spektrum AFM-IR sebanding dengan FTIR32-33, tetapi faktor korelasi numerik antara AFM-IR dan FTIR belum dilaporkan untuk vibrasi asam karboksilat. Oleh karena itu, menghubungkan intensitas puncak dengan rantai samping karboksilat tertentu akan memerlukan perhitungan/pertimbangan teoretis dari respons AFM-IR yang berada di luar cakupan pekerjaan ini. Penting juga untuk dicatat dalam konteks ini bahwa pengukuran AFM-IR berbeda dari spektra inframerah isotropik yang diperoleh dalam larutan, dan spektra yang diukur dalam AFM-IR adalah konvolusi polarisasi laser dan konfigurasi iluminasi49-50. Oleh karena itu, sulit untuk mengidentifikasi dengan tepat struktur yang mendasari puncak ini, dan penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menentukan asal pastinya. Kami bertujuan untuk mengatasi hal ini dalam pekerjaan masa depan.

Agregasi isomer tau in vitro telah diselidiki secara rinci; namun, struktur zat antara awal dan/atau sementara tidak begitu dikenal. Spesies oligomer dalam agregasi protein amiloid telah diidentifikasi berada di dalam atau di luar jalur menuju pembentukan fibril. Karena fibril diyakini sebagai titik akhir agregasi, struktur fibril, termasuk polimorf yang berbeda, umumnya tidak dianggap sebagai transien atau di luar jalur. Heterogenitas dalam struktur fibrilar diketahui ada tetapi telah diketahui muncul bersamaan dengan variasi morfologis2, 8, 26, 51. Hasil kami unik karena menunjukkan variasi dalam struktur sekunder fibril bahkan ketika tidak ada perbedaan morfologis yang terlihat. . Kami mencatat bahwa kecuali tipe fibril-1, semua spektra fibrillar berisi rangkaian pita dasar yang sama, yang menunjukkan bahwa fibril tipe-1 adalah perantara sementara yang akhirnya mengalami reorganisasi struktural dengan pematangan. Kemungkinan lain adalah bahwa polimorf lembaran-beta paralel yang dipesan ini mewakili struktur 'di luar jalur', ia harus hancur menjadi agregat monomer atau prefibrillar untuk diintegrasikan kembali menjadi fibril 'di jalur'. Kami tidak menemukan adanya deposit non-fibrillar yang signifikan dalam spesimen yang dipelajari; namun, yang hadir memang memiliki spektrum yang lebih menyerupai fibril yang tidak teratur (Gambar S9). Hal ini sesuai dengan hipotesis off-pathway dan dengan demikian menunjukkan bahwa 3-polimorf hari lain yang diamati dapat dilihat sebagai agregat on-pathway.

Namun, harus dicatat bahwa spektrum fibril yang dilaporkan di sini tidak serta merta menangkap seluruh ansambel konformasi yang berlaku selama agregasi tau. Untuk secara tepat menjelaskan evolusi struktural agregat tahap awal menjadi fibril dewasa, diperlukan analisis kinetika agregasi yang lebih rinci, yang ingin kami bahas di masa mendatang. Pengamatan menarik lainnya yang diaktifkan oleh AFM-IR adalah identifikasi lembaran beta antiparalel pada fibril yang matang. Secara umum diyakini dan telah dibuktikan oleh banyak penelitian, bahwa agregat amiloid tahap awal dapat mengandung struktur antiparalel, yang diubah menjadi struktur beta-sheet secbeta-sheet paralel dalam agregat matang. Kami mengamati tren yang berlawanan: agregat tahap awal dapat berisi lembaran beta paralel yang dipesan sementara fibril yang lebih matang mengandung lembaran beta antiparalel beta-sheet yang dibuktikan oleh populasi relatif dari puncak yang sesuai (Gambar 4G-L).

Singkatnya, kami telah menunjukkan menggunakan spektroskopi AFM-IR skala nano bahwa fibril tau dapat memiliki variasi struktural yang signifikan, terutama pada tahap awal agregasi. Heterogenitas dimanifestasikan dalam bentuk polimorf yang berbeda secara struktural, yang menunjukkan morfologi serupa tetapi struktur sekundernya berbeda. Secara khusus, kami mengidentifikasi lembar beta-sheeteta paralel yang dipesan sementara pada fibril tahap awal, yang setelah matang berkembang menjadi struktur fibril yang lebih tidak teratur yang berisi lembaran beta antiparalel. Hasil ini menggarisbawahi kebutuhan untuk memasangkan spektroskopi dengan teknik yang diselesaikan secara spasial seperti AFM, karena tidak mungkin untuk secara tegas membuat penentuan ini dari teknik rata-rata spasial seperti FTIR. Hasil eksperimen yang dijelaskan dalam penelitian ini menunjukkan bahwa agregat tau fibrillar bersifat heterogen dan pekerjaan di masa depan akan membahas apakah polimorf ini bertahan dalam kondisi agregasi yang berbeda dan dalam agregasi unggulan dari lisat otak untuk memahami signifikansinya dalam konteks tauopati yang berbeda.

Materi tambahan

Lihat versi Web di PubMed Central untuk materi tambahan.

PENGAKUAN

Karya ini didukung oleh National Institutes of Health (Penghargaan 1 R35 GM138162 untuk AG).

REFERENSI

1. Šimić G; Babić Leko M; Wray S; Harrington C; Della I; Jovanov-Milošević N; Bažadona D; Buée L; de Silva R; Di Giovanni G; Wischik C; Hof PR Tau Protein Hiperfosforilasi dan Agregasi pada Penyakit Alzheimer dan Tauopati Lainnya, dan Kemungkinan Strategi Neuroprotektif. Biomolekul 2016, 6 (1), 6–6. [PubMed: 26751493]

2. Li D; Liu C penentuan kimia hirarkis polimorf amiloid pada penyakit neurodegeneratif. Biologi Kimia Alam 2021, 17 (3), 237–245. [PubMed: 33432239]

3. Kametani F; Hasegawa M Pertimbangan Ulang Hipotesis Amiloid dan Hipotesis Tau pada Penyakit Alzheimer. Perbatasan dalam Ilmu Saraf 2018, 12 (25).

4. Iadanza MG; MP Jackson; Hewitt EW; Ranson NA; Radford SE Era baru untuk memahami struktur dan penyakit amiloid. Ulasan Alam Biologi Sel Molekuler 2018, 19 (12), 755–773. [PubMed: 30237470]

5. Balator C; Lee VMY; Trojanowski JQ Tau memediasi neurodegenerasi pada penyakit Alzheimer dan gangguan terkait. Ulasan Alam Neuroscience 2007, 8 (9), 663–672. [PubMed: 17684513]

6. Kolarova M; Garc; #00ED; a-Sierra F; Barto A; Ricny ​​J; Struktur Ripova D dan Patologi Protein Tau pada Penyakit Alzheimer. Jurnal Internasional Penyakit Alzheimer 2012, 2012, 13.

7. Tapiola T; Alafuzoff I; Herukka SK; Parkkinen L; Hartikainen P; Soininen H; Pirttilä T Cerebrospinal Fluid -Amyloid 42 dan Protein Tau sebagai Biomarker Perubahan Patologis Tipe Alzheimer di Otak. JAMA Neurologi 2009, 66 (3), 382–389.

8. Mukrasch MD; Bibow S; Korukottu J; Jeganathan S; Biernat J; Griesinger C; Mandelkow E; Polimorfisme Struktural Zweckstetter M dari 441-Residu Tau pada Resolusi Residu Tunggal. PLOS Biologi 2009, 7(2), e1000034.

9. Scheres SHW; Zhang W; Falcon B; Struktur Goedert M Cryo-EM dari filamen tau. Opini Saat Ini dalam Biologi Struktural 2020, 64, 17–25. [PubMed: 32603876]

10. Fitzpatrick AWP; Falcon B; Dia S; Murzin AG; Murshudov G; Garringer HJ; Crowther RA; Ghetti B; Goedert M; Scheres SHW Cryo-EM struktur filamen tau dari penyakit Alzheimer. Alam 2017, 547 (7662), 185–190. [PubMed: 28678775]

11. Makky A; Buset L; Madiona K; Pencitraan Mikroskopi Kekuatan Atom Melki R dan Sifat Nanomekanis dari Enam Rakitan Isoform Tau. Jurnal Biofisik 2020, 119 (12), 2497–2507. [PubMed: 33217380]

12. Metrik MA; Ferreira NDC; Saijo E; Kraus A; Newell K; Zanusso G; Vendruscolo M; Ghetti B; Uji ultrasensitif tunggal Caughey BA untuk deteksi dan diskriminasi agregat tau penyakit Alzheimer dan Pick. Acta Neuropathologica Communications 2020, 8 (1), 22. [PubMed: 32087764]

13. Haili Z; Meng SR; Penggemar JB; Chen J; Liang Y Fibrillisasi Tau Manusia Dipercepat oleh Paparan Timbal melalui Interaksi dengan-330 dan Nya-362. PloS satu 2011, 6, e25020. [PubMed: 21966400]

14. Von Bergen M; Barghorn S; Li L; Marx A; Biernat J; Mutasi EM Mandelkow dari Protein Tau pada Demensia Frontotemporal Mempromosikan Agregasi Filamen Heliks Berpasangan dengan Meningkatkan Struktur Lokal. Jurnal kimia biologi 2002, 276, 48165–74.

15. Beku B; Ollesch J; Wille H; Keanekaragaman Konformasi Berlian MI dari Fibril Tau Tipe Liar Ditentukan oleh Perubahan Konformasi Templat. Jurnal Kimia Biologi 2009, 284 (6), 3546–3551.

16. Liu W; Hu X; Zhou L; Tu Y; Shi S; Perspektif Terinspirasi Orientasi Yao T pada Molecular Inhibitor of Tau Aggregation oleh Curcumin Conjugated dengan Ruthenium(II) Complex Scaffold. Jurnal Kimia Fisika B 2020, 124 (12), 2343–2353. [PubMed: 32130010]

17. DV Prokopovich; Whittaker JW; Muthee MM; Ahmad A; Larini L Dampak Fosforilasi dan Pseudofosforilasi pada Tahap Awal Agregasi Protein Tau yang Berkaitan dengan Mikrotubulus. Jurnal Kimia Fisika 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 Terminal Capping dari Fragmen Tau Amyloidogenic Memodulasi Kecenderungan Fibrilasinya. Jurnal Kimia Fisika B 2020, 124 (40), 8772–8783. [PubMed: 32816481]

19.Rojas AV; Maisuradze GG; Scheraga HA Ketergantungan Pembentukan Tau dan A Agregat Campuran Peptida pada Struktur Sekunder Wilayah N-Terminal A . Jurnal Kimia Fisika B 2018, 122 (28), 7049–7056. [PubMed: 29940109]

20. QiR; Luo Y; Wei G; Nussinov R; Mekanisme Penyemaian Silang Ma BA "Stretching-and-Packing" Dapat Memicu Agregasi Protein Tau. Jurnal Surat Kimia Fisik 2015, 6 (16), 3276–3282.

21. Lakukan TD; Economou NJ; Chamas A; Buratto SK; Shea JE; Bowers MT Interaksi antara Fragmen Amyloid- dan Tau Mempromosikan Agregat Penyimpangan: Implikasi untuk Toksisitas Amiloid. Jurnal Kimia Fisika B 2014, 118 (38), 11220–11230. [PubMed: 25153942]

22. Buée L; Bussiere T; Buée-Scherrer V; Delacourte A; Isoform protein Hof PR Tau, fosforilasi, dan peran dalam gangguan neurodegeneratif. Ulasan Penelitian Otak 2000, 33 (1), 95–130. [PubMed: 10967355]

23.Luo Y; Ma B; Nussinov R; Wawasan Struktural Wei G ke dalam Paradoks Tau Protein tentang Perilaku Gangguan Intrinsik, Aktivitas Asetilasi Diri, dan Agregasi. Jurnal Surat Kimia Fisik 2014, 5 (17), 3026–3031. [PubMed: 25206938]

24. Dong X; Bera S; Qiao Q; Tang Y; Lao Z; Luo Y; Gazit E; Wei G Pemisahan Fase Cair-Cair dari Protein Tau Dikodekan pada Tingkat Monomer. Jurnal Surat Kimia Fisik 2021, 12 (10), 2576–2586. [PubMed: 33686854]

25. Goux WJ; Kopplin L; Nguyen AD; Kebocoran K; Rutkofsky M; Shanmuganandam VD; Sharma D; Inouye H; Kirschner DA Pembentukan Filamen Lurus dan Bengkok dari Short Tau Peptides. Jurnal Kimia Biologi 2004, 279 (26), 26868–26875.

26. Fandrich M; Nystrom S; Nilsson KPR; Böckmann A; LeVine H ke-3; Hammarström P Polimorfisme fibril amiloid: tantangan untuk pencitraan dan terapi molekuler. J Intern Med 2018, 283 (3), 218–237. [PubMed: 29360284]

27. Fibril Amiloid Härd T: Pembentukan, Polimorfisme, dan Penghambatan. Jurnal Surat Kimia Fisik 2014, 5 (3), 607–614. [PubMed: 26276617]

28. Bela diri B; Lefèvre T; Auger M Memahami pembentukan fibril amiloid menggunakan fragmen protein: investigasi struktural melalui spektroskopi vibrasi dan NMR keadaan padat. Biophys Rev 2018, 10 (4), 1133–1149. [PubMed: 29855812]

29.Eisenberg DS; Sawaya MR Studi Struktural Protein Amiloid di Tingkat Molekuler. Tinjauan Tahunan Biokimia 2017, 86 (1), 69–95.

30.Moran SD; Zanni MT Cara Mendapatkan Wawasan tentang Struktur dan Pembentukan Amiloid dari Spektroskopi Inframerah. Jurnal Surat Kimia Fisik 2014, 5 (11), 1984–1993. [PubMed: 24932380]

31. Studi NMR Solid-State Tycko R tentang Struktur Fibril Amiloid. Tinjauan Tahunan Kimia Fisik 2011, 62 (1), 279–299.

32.Dazzi A; Prater CB AFM-IR: Teknologi dan Aplikasi dalam Spektroskopi Inframerah Skala Nano dan Pencitraan Kimia. Ulasan Bahan Kimia 2017, 117 (7), 5146–5173. [PubMed: 27958707]

33.Dazzi A; Prater CB; Hu Q; Mengejar DB; Rabolt JF; Marcott C AFM-IR: Menggabungkan Mikroskopi Kekuatan Atom dan Spektroskopi Inframerah untuk Karakterisasi Kimia Skala Nano. Aplikasi Spektroskopi. 2012, 66 (12), 1365. [PubMed: 23231899]

For more information:1950477648nn@gmail.com