低温电子显微镜研究改变我们观察神经退行性疾病的方式
蛋白质τ发挥了至关重要的作用装配和结构神经元微管。τ的错误折叠引起异常积累τ高度结构化的细丝,结块在显微镜下可见“缠结。“20多个神经系统疾病,包括阿尔茨海默病,特点是这在τ,统称为tauopathies官能障碍。大部分的这些障碍与τ基因的突变。
虽然tauopathies可以很容易地确定死后的存在缠结在大脑细胞中,目前的结构生物学研究试图理解个人在分子水平上丝的形成。最终目标是理解错误折叠τ组装成细丝。这可能导致有效的疗法的发展,破坏这一过程和相关的疾病。低温电子显微镜(低温电子显微镜)已经成为一个重要的工具在τ丝的结构分析技术如单粒子的分析可以揭示原子水平细节聚合过程。低温电子显微镜已被用来解决结构体外几个tauopathies大脑样本,包括阿尔茨海默病进行性核上的麻痹,慢性创伤性脑病,皮克病和cortico-basal变性。
理解tau蛋白质纤维的结构
快速增长地区的基于结构的药物设计,开发有针对性的疗法本质上依赖于质量和结构信息的分辨率。Tauopathies也不例外。最终,一种有效的治疗可能需要一个清晰的理解最初的蛋白质错误折叠丝状缠结的形成。值得注意的是,人们已经发现,从不同的tauopathies纤维具有独特的τ折叠,也称为矫形器,可用于不同tauopathies进行分类。通过理解tauopathies有关,研究人员可以deconvolute疾病进展的细节。更清楚的了解这些不同的纤维组装可能最终会导致特定的发展,系统治疗。
利用低温电子显微镜推进tauopathy研究
τ聚合的潜在机制的研究需要检查装配过程在受控环境。这些观察结果不能实际在活的有机体内、重组表达蛋白片段通常用于在体外模型系统的蛋白质聚合。组装和τ细丝反映特征在活的有机体内结构对理解灯丝的形成是至关重要的。低温电子显微镜非常适合这些瞬态结构的研究,作为样品玻化在时间间隔组装所需的水平的大会之后,基本上提供装配过程的“快照”,期间可以进行实验。
直到最近,研究人员已经发现无法复制的τ结构在活的有机体内,缓冲条件在体外常常无法模仿的细胞环境,并不总是遵循相同的片段聚合途径作为完整的蛋白质。这个结果不仅在不同的蛋白质相互作用,但即使proto-filaments相同的组件,但明显不同的结构(超微结构多晶型物)。个分子级分类通常是需要区分这些聚集,但这可能会耗费大量时间,许多技术要求样品只包含一个结构。与低温电子显微镜单粒子的分析,不仅可以区分多个多晶型物不同样本,但即使是在相同的解决方案,在结构上类似的类可以组合在数据处理。
图1:XY中央片τ丝表现出单层tau蛋白的灯丝。丝由成千上万的层堆叠在彼此身上。图片由索菲亚Lovestam, MRC分子生物学实验室,英国剑桥。
直到最近,研究人员已经无法复制与τ灯丝结构在活的有机体内。在一个最近eLife出版研究人员使用高通量低温电子显微镜工作流测试范围广泛的条件在体外τ聚合。他们决定76τ灯丝结构,包括一些反映了在活的有机体内τ中发现疾病的构象。27这些结构的小说,拓宽我们的基本理解τ的结构多样性形成的淀粉。
在样品制备条件的调查中,作者指出,τ聚合是高度依赖于阳离子出现在解决方案。而镁和钙离子的形成引起的配对螺旋丝发现阿尔茨海默病,导致钠τ折叠匹配那些慢性创伤性脑病。这突出了关键角色装配条件、环境条件的影响的最终结构τ细丝
值得注意的是,这种大规模的结构性特征只可能由于小说低温电子显微镜技术的进步和工作流。最初的筛选是在低分辨率进行快速、software-guided陶瓷样品的表征,很快识别最优区域进行进一步的成像分辨率较高的仪器。后续的数据分析也大大加速了软件自动化执行大部分的图像处理研究人员没有手动输入。
tauopathy治疗的未来
尽管我们增加了解tauopathies,仍然没有批准治疗阻止这些疾病的进展。上面的研究突出了戏剧性的影响细胞环境可以在聚合的倾向和τ和其他amyloid-like蛋白质的结构。有一个紧迫的需要结构信息,不仅在体外,但也最理想的细胞内环境,指导治疗,有针对性的发展停止特定蛋白质的相互作用。
