O ensaio de agregação de tau descrito neste manuscrito imita as características antecipadas de na vivo tau enrolamento e agregação.
Agregação da proteína tau e formação de filamentos helicoidais emparelhados são uma marca registrada da doença de Alzheimer e outras Tauopatias. Em comparação com outras proteínas associadas com doenças neurodegenerativas, a cinética de agregação relatado em vitro para proteína tau são menos consistente, apresentando uma variabilidade relativamente alta. Aqui descrevemos o desenvolvimento de um em vitro ensaio de agregação que imita os passos esperados associados tau enrolamento e agregação em vivo. O ensaio utiliza o isoform tau mais longa (huTau441), que contém inserções de ácido N-terminal, bem como quatro domínios de ligação de microtúbulos (MBD). A agregação em vitro é desencadeada pela adição de heparina e seguida continuamente por fluorescência de thioflavin T em um formato de 96 microplacas bem. O ensaio de agregação do tau é altamente reprodutível entre diferentes poços, corridas experimentais e lotes da proteína. A agregação leva a tau PHF-como morfologia, que é muito eficiente em semeadura a formação de estruturas fibrillar de novo . Além de sua aplicação no estudo do mecanismo de enrolamento de tau e agregação, o ensaio atual é uma ferramenta robusta para a seleção de medicamentos que podem interferir com a patogênese da tau.
A doença de Alzheimer é uma doença neurodegenerativa devastadora histopatologicamente definido pelo acúmulo de placas senis extracelulares de agregados Amyloid beta1 e neurofibrilares intracelulares contendo agregados hyperphosphorylated tau proteína2. Tau fisiológica é monomérica e apresentou como seis isoformas exclusivas contendo 0-2 N terminais inserções e vinculação de microtubule 3 ou 4 domínios3,4 decorrentes de splicing alternativo e uma média de 2-3 phosphorylations. Acredita-se que hyperphosphorylation, enrolamento e auto-agregação em estruturas fibrilar constituem elementos-chave na patogênese da tau, como patologicamente avaliados em indivíduos dementes5,6.
Os emaranhados de tau tangles agregados são uma marca registrada não só para AD, mas também para outras Tauopatias, incluindo degeneração lobar frontotemporal (FTLD), doença de Pick, paralisia supranuclear progressiva (PSP), demência fronto-temporal (FTD) e primário relacionadas com a idade de Taupatia (parte)2. Do ponto de vista bioquímico, compreender o mecanismo de enrolamento de tau e agregação poderia lançar luz sobre os processos patológicos associados com AD e outras Tauopatias. Além do aspecto científico, robusto em vitro ensaios de agregação são ferramentas valiosas para despistagem de droga candidatos7,8,9,10. Acredita-se que a agregação de tau segue uma nucleação polimerização dependente processo (NDP)11,12,13,14. A cinética do NDP é sigmoidal e começa com um passo de nucleação energeticamente desfavoráveis, seguido de um processo de agregação rápido energeticamente em declive.
Ao contrário de outras proteínas amiloidogénicos, incluindo a proteína príon, beta amyloid e α-synuclein, tau não agregado espontaneamente sob condições fisiológicas e pHs mesmo extrema ou altas temperaturas são não-propício para agregação15. Isto é provavelmente devido as interações de hydrophylic presentes na interface de agregação de tau. No entanto, tau agrega eficientemente em concentrações fisiológicas quando indutores como heparina16 ou de17,outros polianiões18 estão sendo usados.
Esforços anteriores para configurar em vitro tau agregação ensaios têm lançar alguma luz sobre os detalhes do tau enrolamento e agregação, mas eles vieram curtos de imitar o que é acreditado para ser a cinética de agregação de tau na vivo . Na maioria dos casos, a cinética de agregação de tau estava faltando a fase de retardo inicial associada a nucleação de tau. Isso pode ter sido a consequência com as concentrações de proteína tau muito alta, presença de agregados dos preparativos de proteína tau inicial e/ou uso de fragmentos de tau com muito maior propensão de agregação que o tau mais fisiológico de comprimento total proteína19,20,21,22,23. Além disso, estudos anteriores não tratou a reprodutibilidade e o aspecto de robustez da cinética de agregação de tau.
Aqui, descrevemos um robusto em vitro tau agregação do ensaio que imita as características principais de uma polimerização dependente de nucleação com uma fase de retardo inicial correspondente a nucleação de tau, seguida por uma fase de crescimento exponencial. Além disso, os agregados de tau recombinante gerado são fibrillar na natureza e tem uma potência extremamente alta de semeadura. O ensaio é altamente reprodutível também entre lotes de tau e representa uma ferramenta valiosa para a tela para inibidores de agregação.
Apesar de inúmeros esforços, a cinética de agregação de tau relatados na literatura a falta de data do nível desejado de reprodutibilidade e/ou algumas das características de uma nucleação polimerização dependentes19,20,21 , 22 , 23 , 25. isto muitas vezes é enfatizado pela falta de uma fase de retardo, semeando ineficiente e não-fibrillar natureza dos agregados de tau. A razão para estas deficiências pode variar e inclui a qualidade de proteína tau sub-ótimo (fragmentação, presença de agregados, baixa pureza, etc.), escolha de proteína e induzindo os reagentes e/ou condições experimentais. Outro fator complicador são os dois resíduos de cisteína localizados em torno da interface de agregação de tau que podem formar intra ou inter – molecular dissulfeto pontes dependendo do ambiente de redox e afetam a eficiência da agregação do tau. Na maioria das abordagens reduzindo os reagentes como TDT ou TCEP têm sido utilizados para manter os resíduos de cisteína nas formas reduzidas e, assim, aumentar os níveis de reprodutibilidade25. Além disso, o coeficiente de extinção da tau é muito baixa o que leva a dificuldades em medições precisas da concentração da proteína.
Focamos especialmente em alguns parâmetros e atributos de qualidade que consideramos cruciais para um perfil de agregação robusto, reprodutível e representativas para proteína tau: eliminando a possibilidade de intra e interformação dissulfeto molecular, gerando um monômero de tau altamente puro e melhorar a precisão da determinação da concentração. Todos estes reagentes relacionados perguntas são potenciais pontos de atenção que consideramos fundamentais para o desenvolvimento ideal do ensaio. Para solucionar esses problemas, huTau441 comprimento total foi expressa com duas mutações, C291A e C322A e com tags N – e C-terminal. Mutação dos resíduos cisteína tem impacto mínimo na proteína tau, eliminando a outra forma muito difícil controlar pontes dissulfeto. Expressando a proteína com tags relativamente curto N – e C-terminal permitiu-na prosseguir um protocolo de purificação de afinidade de duas etapas que conduziram à altíssima pureza, integridade e conteúdo de monômero. Além disso, introduzimos uma mutação F8W que aumentou o coeficiente de extinção da proteína e permitiu muito mais precisos de medições de concentração24.
Além de utilizar reagentes de proteína de alta qualidade, outros parâmetros de ensaio também foram otimizados. O tau ideal: relação de heparina foi identificada para ser em torno de 0.5 (M/M), que está de acordo com estudos publicados anteriormente26. Além disso, mecânicas e óticas instrumentais configurações são cruciais para garantir a reprodutibilidade e os parâmetros ideais podem diferir em certa medida, dependendo do fabricante.
A agregação de tau descrito neste ensaio mostra características que estão associados com a patogênese tau em AD e relacionados Tauopatias. O processo começa com uma fase de retardo inicial correspondente à formação de núcleos de alta energia e é seguido por uma fase de rápido crescimento que corresponde ao crescimento de fibrila. O tempo de retardo é suficientemente longo para abrir uma janela ampla para estudar em detalhe o processo de preparação, cobrindo uma ampla gama de concentrações de sementes (Figura 5) enquanto ainda não demore muito para a degradação das proteínas e/ou agregação específico é evitada (Figura 2). esses eventos secundários podem acontecer especialmente quando uma proteína intrinsecamente desordenada como huTau441 é exposta por longos períodos de tempo às condições fisiológicas. A exibição de agregados obtidos tau a morfologia de resfrie isolada do cérebro dos pacientes e são muito eficientes em recrutamento tau monomérico e convertendo-a de novo gerado agregados, um processo conhecido como semeadura. O ensaio é altamente reprodutível, as curvas de cinéticas sendo virtualmente indistinguível entre poços, corridas experimentais e lotes de proteína. Embora o ensaio atual enfoca apenas o isoform tau mais longa, huTau441, o aplicativo pode ser adaptado para estudar a conversão de outras formas de tau (Ameijde et al, Acta Neuropathologica Communications, no prelo) Além disso, ele permite que estudos mecanicistas focada sobre a interacção das isoformas de tau e possivelmente lançar luz sobre as diferenças entre a patogênese tau no anúncio onde ambos 3R e 4R isoformas estão presentes em resfrie e PICK doença ou demência Frontotemporal onde patologia tau contém principalmente Isoformas de tau 3R e 4R, respectivamente,27.
A altíssima reprodutibilidade do ensaio deve permitir que os leitores para implementá-lo com relativa facilidade em suas configurações de laboratório específico. O ensaio imita o que é acreditado para ser no vivo enrolamento e agregação de tau, permitindo estudos mecanicistas que irão lançar luz sobre a patogênese da tau e constitui uma ferramenta valiosa para a seleção de candidatos a fármacos e avaliar sua interferência com as diferentes etapas do processo de patogênese.
The authors have nothing to disclose.
Os autores gostaria de agradecer Quirante Hector para a expressão e purificação de huTau441, Hanna Inganäs e Margot van Winsen excelente apoio técnico e Martin Koldijk para análise de dados.
Thioflavin T | Sigma-Aldrich | T3516-5G | dry powder (Mw = 318.86 g/mol) |
Heparin | Sigma-Aldrich | H3393-50KU | dry powder (Mw = 17-19 kDa) |
TCEP | Sigma-Aldrich | 75259-1G | dry powder (MW= 286.65 g/mol) |
PBS | Gibco-Life Technologies | 10010-015 | Sterile, pH 7.4 (1X) |
0.22 μm sterile filter | Corning | 431160 | PES membrane |
0.20 μm sterile serynge filter | Corning | 431229 | PES membrane |
96-well microplates | Thermo Scientific | 9502867 | Black, flat botton |
Microplate sealers | R&D Systems | DY992 | Adhesive strips |
Synergy Neo2 Multi-Mode Microplate Reader | Biotek | Synergy Neo2 | Hybrid Technology, Gen5 Software |
Eppendorf Tubes | Eppendorf | 0030 120.086 | 1,5 ml tubes |
Ultrasonics-Branson SFX250 | Branson | 101-063-966R | 1/2" Solid Horn and 1/8" microtip |