低温电镜研究正在改变我们看待神经退行性疾病的方式
tau蛋白在装配与结构神经元微管。tau蛋白不恰当的折叠会导致tau蛋白异常堆积成高度结构的细丝，这些细丝聚集成显微镜下可见的“缠结”。超过20种神经系统疾病——包括阿尔茨海默病——以tau蛋白的这种功能障碍为特征，并被统称为tau病。这些疾病大多与tau基因突变有关。
虽然死后通过脑细胞中缠结的存在可以很容易地识别tau病，但目前的结构生物学研究试图在分子水平上了解单个细丝的形成。最终目标是了解错误折叠的tau蛋白是如何组装成细丝的。这可能会导致有效疗法的发展，破坏这一过程和相关疾病。低温电子显微镜(cryo-EM)已经成为tau细丝结构分析的关键工具，因为单粒子分析等技术可以揭示聚集过程的原子分辨率细节。低温电子显微镜已经被用来解决体外一些牛头病的大脑样本，包括阿尔茨海默病，进行性核上性麻痹，慢性创伤性脑病，皮克病而且cortico-basal变性．
了解tau蛋白丝的结构
在快速发展的基于结构的药物设计领域，靶向治疗的发展本质上依赖于结构信息的质量和分辨率。牛头病也不例外。最终，一种有效的治疗方法可能需要对最初蛋白质错误折叠导致丝状缠结形成的清楚理解。值得注意的是，已经发现来自不同tau病的细丝具有不同的tau皱褶，也称为构象，可用于对不同的tau病进行分类。通过了解牛头病是如何相关的，研究人员可以解开疾病进展的细节。更好地了解这些不同的纤维是如何组装的，可能最终会导致具体的、基于机制的治疗方法的发展。
利用低温电镜推进牛头病研究
tau聚集的潜在机制的研究需要在受控环境中检查组装过程。因为这些观察不能在实际中提出在活的有机体内，重组表达的蛋白质片段常用于在体外蛋白质聚集的模型系统。反射tau纤维的组装和表征在活的有机体内结构是理解灯丝形成的关键。Cryo-EM非常适合于研究这些瞬态结构，因为一旦达到所需的组装水平，样品就会在组装过程中以一定的时间间隔玻璃化，基本上提供了“组装过程的快照”，可以在实验期间进行检查。
直到最近，研究人员还无法复制发现的确切tau结构在活的有机体内，作为缓冲条件在体外通常不能模拟细胞环境，并且片段并不总是遵循与全长蛋白质相同的聚集途径。这不仅导致了不同的蛋白质-蛋白质相互作用，而且甚至是具有相同成分但具有显著不同结构的原丝(超微结构多态性)。通常需要分子级别的分类来区分这些聚集物，但这可能很耗时，而且许多技术要求样品只包含单一结构。通过低温电镜单粒子分析，多个多态性不仅可以在不同样品之间区分，甚至可以在同一溶液中区分，因为在数据处理过程中可以对结构相似的类别进行分组。
图1:tau蛋白纤维的XY中心切片显示在纤维中有一层tau蛋白。灯丝由数千层相互叠加而成。图片由索菲亚Lövestam提供，MRC分子生物学实验室，剑桥，英国。
直到最近，研究人员还无法复制这些发现的tau纤维结构在活的有机体内．在一个eLife近期刊物，研究人员使用高通量冷冻- em工作流程来测试广泛的条件在体外τ聚合。他们确定了76个tau纤维结构，包括几个反射在活的有机体内疾病中发现的tau构象。其中27个结构是新颖的，拓宽了我们对tau在形成淀粉样蛋白时结构多功能性的基本理解。
在他们对样品制备条件的调查中，作者注意到tau聚集高度依赖于溶液中存在的阳离子。镁和钙阳离子导致阿尔茨海默病中成对螺旋丝的形成，钠引起的tau褶皱与慢性创伤性脑病中看到的相匹配。这突出了环境条件在组装条件中的关键作用，这影响了tau灯丝的最终结构
值得注意的是，这种高通量结构表征多亏了冷冻电镜技术和工作流程的新进展。在较低分辨率下进行初步筛选，采用软件引导的快速表征，快速确定玻璃化样品的最佳区域，以便在更高分辨率的仪器上进行进一步成像。随后的数据分析也因软件自动化而大大加快，软件自动化执行了大部分图像处理，而无需研究人员手动输入。
牛头病治疗的未来
尽管我们越来越了解牛头病，但仍然没有批准的治疗方法来阻止这些疾病的进展。上述研究强调了细胞环境在tau和其他淀粉样蛋白的聚集倾向和结构中发挥的巨大作用。我们迫切需要结构性信息，而不仅仅是在体外，但理想情况下也在细胞范围内，以指导靶向治疗的发展，以阻止特定的蛋白质相互作用。
