劍橋MRC的科學家破解皮克病tau蛋白纖維結構

撰文丨小白薯

責編丨迦 漵

圖片引自：https://www.kindlycare.com/picks-disease/

皮克病（Pick』s disease）是一種罕見的疾病，會導致不可逆轉的痴呆症，患者大腦無法正常運作。許多其它疾病也可導致痴呆，包括阿爾茨海默病(Alzheimer 』 s disease , AD)。但阿爾茨海默病可以影響大腦的許多不同部位，而皮克氏病隻影響某些區域，那就是大腦的額葉和顳葉。皮克病是額顳葉痴呆（frontotemporal dementia, FTD）的一種。額顳葉痴呆是稱為額顳葉衰退（frontotemporal lobar degeneration, FTLD）腦部疾病的結果。大腦的額葉控制著日常生活的重要方面，這些包括計劃、判斷、情緒控制、行為、抑制、執行功能和任務處理；顳葉主要影響語言以及情緒反應和行為。因此，皮克病對於患者的生活、社交等各個行為有著重大影響【1】。

許多神經退行性疾病都有tau蛋白聚集的特點，並會在腦中形成蛋白纖維。皮克病也是如此。這些蛋白存在於所有神經細胞中，它們通常會積聚成球形團塊，稱為Pick bodies 或 Pick cells。當它們積聚在大腦額葉和顳葉的神經細胞中時，會導致細胞死亡。最終導致患者的腦組織縮小，導致痴呆癥狀。目前科學家還不知道具體導致這些異常tau蛋白質的形成的機制。

8月29日，Nature雜誌在線發表了劍橋大學MRC實驗室Michel Goedert組與Sjors H. W. Scheres組合作完成的一篇題為Structures of filaments from Pick』s disease reveal a novel tau protein fold論文，闡述了皮克病的tau蛋白纖維絲的冷凍電鏡（Cryo-EM）結構，將為皮克病的治療提供新的方案和見解。

在正常成年人腦中，有六種tau蛋白亞型表達，其中三種亞型中每種具有四個微管結合重複（4R tau），另三種缺乏第二重複（3R tau）的亞型【2】。tau蛋白纖維可能含有3R tau、4R tau或兩者的結合。豐富的tau蛋白纖維與疾病癥狀密切相關【3】。Tau細絲具有不同的細胞和神經解剖學分布，形態學和生物化學差異表明它們可能採用疾病特異性分子構象【4】。這些構象異構體可能會產生不同的神經病理學表型【5】，就跟朊病毒一樣【6】。但是，很多tau蛋白的構象尚不清楚。

Michel Goedert和Sjors Scheres及其同事運用cryo-EM技術，對從患有行為變異性額顳葉痴呆病史7年的患者額顳葉皮質中提取的tau絲進行成像（圖1），來確定從皮克病患者額顳葉皮質提取的tau蛋白纖維的結構。他們此前曾報告了AD患者的tau蛋白纖維結構，並指出其中含有3R和4R tau 7構型。如今，他們再次合作，在皮克病患者腦中的tau蛋白纖維的有序核心區內，發現了與阿爾茨海默症患者腦中的tau蛋白纖維摺疊不同的、一種新的3R tau單鏈摺疊。

圖1. 皮克病的tau蛋白絲病理學

如圖1e所示，皮克病tau蛋白細絲可以區分窄區（93％，藍色箭頭，NPF）和寬區（7％，紅色箭頭，WPF）細絲（圖1e）。他們的形態和相對丰度與皮克病患者皮質活檢中報道的一致。結構的解析（圖2）得到NPF的解析度達到了3.2 ?，並發現NPF由具有細長結構的單根原絲組成，與在AD中發現的成對螺旋絲（PHF）C形原絲和直絲明顯不同【7】。WPF由於比例太少，其解析度只有8 ?。從輪廓可以看出WPF由兩條NPF原絲在其遠端尖端結合而成。這些研究結果表明，Pick病的tau細絲不同於AD中發現的tau細絲。

圖2. 皮克病tau絲蛋白結構

通過序列比對（圖3a）可以發現，組成皮克病和AD的tau蛋白在序列並無差異，但是在構象有很大的區別。在組成Pick和Alzheimer tau絲殘基中，Val306和Ile354之間幾乎所有氨基酸側鏈在兩個結構中具有相同的取向。唯一例外是Cys322和Asp348，它們在一個或另一個摺疊中引起反向鏈方向（圖3d）。 Cys322（黃色C）的側鏈在AD tau絲摺疊的內部，而它在Pick摺疊中是溶劑暴露的。Asp348（紅色D）的側鏈在Pick tau細絲摺疊的內部，而在AD摺疊中溶劑暴露，使β5和β6之間緊密轉向7。這兩個氨基酸在兩個結構的構象改變上貢獻非常大。

圖3.皮克病和AD中的tau絲蛋白結構對比

總的來說，發現tau蛋白纖維的這種疾病特異性摺疊，進一步支持了一種假說—即不同的纖維狀tau蛋白構型導致了不同的臨床表型。在tau絲的有序核心中鑒定疾病特異性摺疊確定了這一分子構象異構體的存在，tau絲蛋白的構象異構體產生了不同類型的tau病症，類似於朊病毒株。通過揭示特定疾病中分子構象異構體的結構基礎，破解這些不同的摺疊方式和構象，將有助於進一步加深對大量蛋白異常聚集相關疾病的認識，為更好地理解相關疾病鋪平道路。

文章的實驗材料來自一個皮克病患者的大腦，文章致謝首先感謝了捐贈大腦的患者及其家屬，讓我們為他們致敬！他們為相關疾病的研究貢獻了寶貴的實驗材料，最後發揮了最大的人生價值！

Michel Goedert 博士

Michel Goedert，盧森堡公民，獲得了巴塞爾大學（瑞士）的醫學博士（MD）和劍橋大學哲學博士（PhD）學位。自1984年以來，他一直在劍橋醫學研究委員會分子生物學實驗室擔任項目負責人，並於2003年至2016年擔任其神經生物學部門的主管。自2014年起，他還擔任劍橋大學名譽教授。Goedert的工作主要結合了生物化學、分子生物學和結構生物學技術，以研究常見的神經退行性疾病，包括阿爾茨海默氏症和帕金森氏症，是該領域的大牛。目前H指數126，引用6萬餘次。

Sjors Scheres 博士

Cryo-EM方法學上的泰斗級人物。Scheres在荷蘭Utrecht University 獲得化學學士學位和蛋白質晶體學博士學位。並於2003年至2010年期間在西班牙國家生物技術中心（CNB）從事博士後研究，在那裡他開發了基於最大似然估計的cryo-EM圖像分類演算法。2010年，Scheres被任命為劍橋分子生物學MRC實驗室的組長。在那裡，他將最大似然法擴展到通過cryo-EM確定蛋白質結構的一般經驗貝葉斯方法，並通過計算機程序RELION實現了該方法。目前的研究還包括樣本製備和數據收集計劃的方法優化和開發。通過這些方法，能夠針對各種不同的樣本進行近原子解析度重建，對如今的cryo-EM技術的成熟做出了重要貢獻。Scheres博士課題組除了聚焦在方法開發上，還解析了很多重要的蛋白質結構。比如，解析了阿爾茨海默病相關的兩個示例應用是人γ-分泌酶複合物結構（與施一公老師合作）；解決了患有阿爾茨海默病的個體大腦中Tau蛋白澱粉樣纖維的結構（與Michel Goedert合作）。目前已發表文章80餘篇，H指數45，引用近萬次。

參考文獻

1 Bigio, E. H. Making the diagnosis of frontotemporal lobar degeneration.Archives of pathology & laboratory medicine137, 314-325 (2013).

2 Goedert, M., Eisenberg, D. S. & Crowther, R. A. Propagation of tau aggregates and neurodegeneration.Annual review of neuroscience40, 189-210 (2017).

3 Wilcock, G. & Esiri, M. Plaques, tangles and dementia: a quantitative study.Journal of the neurological sciences56, 343-356 (1982).

4 Crowther, R. & Goedert, M. Abnormal tau-containing filaments in neurodegenerative diseases.Journal of structural biology130, 271-279 (2000).

5 Narasimhan, S. et al. Pathological tau strains from human brains recapitulate the diversity of tauopathies in non-transgenic mouse brain.Journal of Neuroscience,1230-1217 (2017).

6 Collinge, J. Mammalian prions and their wider relevance in neurodegenerative diseases.Nature539, 217 (2016).

7 Fitzpatrick, A. W. et al. Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer』s disease.Nature547, 185 (2017).

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