本手稿中描述的 tau 聚集分析模拟了体内tau 错误折叠和聚集的预期特征。
tau 蛋白的聚集和配对螺旋细丝的形成是阿尔茨海默氏症和其他黑色素病的标志。与其他与神经退行性疾病相关的蛋白质相比, 报告的陶蛋白体外聚集动力学表现出相对较高的变异性。在这里, 我们描述了一种体外聚集试验的发展, 该方法模拟了与 tau 在体内的错误折叠和聚集相关的预期步骤。该分析使用最长的 tau 异形 (hutau441), 其中包含 n 端酸性插入物以及四个微管结合域 (mbd)。肝素的加入引发了肝素的体外聚集, 并以96孔微板的形式持续采用硫代黄素 t 荧光。tau 聚集试验在不同的井、实验运行和蛋白质批次之间具有很高的重现性。聚集导致 tau phf 样形态, 在新纤维结构的形成方面非常有效. 目前的检测方法除了在研究陶氏错折叠和聚集的机理方面的应用外, 还是筛选可能干扰陶氏发病机制的药物的有力工具。
阿尔茨海默病是一种毁灭性的神经退行性疾病, 其组织病理学定义是聚集的淀粉样蛋白β1和细胞内神经纤维缠结的聚集性的细胞外的老年病斑块的积累。高磷酸化 tau 蛋白2。生理 tau 是单体的, 表现为6个独特的异形, 包含0-2n 端子插入物和3或4个微管结合域 3,4产生于替代拼接和平均2-3 磷酸化。据认为, 高磷酸化, 错误折叠和自聚集到纤维结构是 tau 发病机制的关键要素, 病理评估在精神病个体5,6。
聚集神经纤维瘤不仅是 ad 的标志, 也是其他程度的神经病的标志, 包括额叶变性 (ftld)、拾取病、进行性超核麻痹 (psp)、前颞叶痴呆 (ftd) 和原发性与年龄有关的癌症 (部分)2。从生化的角度来看, 了解 tau 错误折叠和聚集的机制可以揭示与 ad 和其他尾毒病相关的病理过程。除了科学方面, 稳健的体外聚集检测是筛选候选药物7、8、9、10的宝贵工具。认为 tau 的聚集遵循的是一个与成核依赖的聚合过程 (ndp)11,12,13,14。ndp 动力学是 sigmoidal 的, 从一个非常不利的成核步骤开始, 然后是一个快速的能量下坡聚集过程。
与其他淀粉样蛋白 (包括 prion 蛋白、淀粉样β和α-sycornin) 不同, tau 不会在生理条件下自发聚集, 甚至极端的 ph 或高温也不利于聚集15。这很可能是由于 tau 聚集界面中存在的水相相互作用。然而, 当使用诸如肝素16或其他多阴离子17、18的诱导剂时, tau 会在生理浓度下有效地聚集。
以前建立体外tau 聚集检测的努力已经为 tau 错误折叠和聚集的细节提供了一些线索, 但它们没有模仿被认为是体内tau 聚集动力学的东西。在大多数情况下, 陶粒聚集动力学缺乏与陶粒核相关的初始滞后期。这可能是使用非常高的陶蛋白浓度的结果, 在开始的陶蛋白制剂中存在聚集物, 或使用与更多的生理全长陶相比, 有更高的聚集倾向的陶片片段蛋白质19,20,21,22,23。此外, 以前的研究没有涉及 tau 聚集动力学的重现性和鲁棒性方面。
在这里, 我们描述了一个强大的体外tau 聚集试验, 它模仿了核依赖聚合的主要特征, 初始滞后阶段对应于 tau 成核, 然后是指数增长阶段。此外, 所产生的重组陶属具有纤维化性质, 具有极高的播种能力。该检测在 tau 批次之间也是高度可重复性的, 是筛选聚集抑制剂的宝贵工具。
尽管作出了许多努力, 但迄今为止文献中报告的 tau 聚集动力学缺乏所需的可重复性水平和/或核依赖性聚合的一些特征 19,20,21,22,23,25. 由于没有滞后阶段、播种效率低下和 tau 集料的非纤维性质, 这一点往往得到了强调。造成这些缺点的原因可能各不相同, 包括不理想的 tau 蛋白质量 (碎裂、集料的存在、低纯度等)、蛋白质的选择和诱导试剂以及或实验条件。另一个复杂的因素是位于 tau 聚集界面周围的两个半胱氨酸残留物, 它们可以根据氧化还原环境形成分子内或分子间二硫化桥, 并影响 tau 聚集的效率。在大多数方法中, 还原试剂 (如 dtt 或 tcep) 被用于以减少的形式保持半胱氨酸残留物, 从而提高重现性 25.此外, 陶的消光系数很低, 给蛋白质浓度的准确测量带来了困难。
我们特别关注一些参数和质量属性, 我们认为这对于 tau 蛋白的可靠、可复制和具有代表性的聚集配置文件至关重要: 消除分子内和分子间二硫化形成的可能性,生成高度纯的 tau 单体, 提高浓度测定的准确性。所有这些试剂相关的问题都是我们认为对最佳检测开发至关重要的潜在关注点。为了解决这些问题, 用 c291a 和 c322a 这两种突变以及 n 和 c-端子标记表示了全长 hutau441。半胱氨酸残基的突变对 tau 蛋白的影响最小, 同时消除了原本很难控制二硫桥接的问题。用相对较短的 n-和 c-末端标记表示蛋白质, 使我们能够采用两步亲和力纯化协议, 从而获得非常高的纯度、完整性和单体含量。此外, 我们引入了 f8w 突变, 增加了蛋白质的消光系数, 并允许更准确的浓度测量24。
除了使用高质量的蛋白质试剂外, 还对其他检测参数进行了优化。最佳 tau:heparin 比率被确定为 0.5 (m/2), 这与先前发表的研究报告26一致。此外, 机械和光学仪器设置对于确保重现性至关重要, 最佳参数可能因制造商的不同而有一定程度的不同。
本试验中描述的 tau 聚集显示了与 ad 和相关的 tau 发病机制有关的特征。这个过程从与高能核形成相对应的初始滞后阶段开始, 然后是与纤维生长相对应的快速生长阶段。滞后时间足够长, 可以打开一个广阔的窗口, 详细研究涵盖广泛种子浓度的播种过程 (图 5), 而仍然不会太长, 因此避免蛋白质降解和/或非特异性聚集 (图图2). 当 hutau441 等本质上无序的蛋白质长期暴露在生理条件下时, 这些次生事件尤其可能发生。所获得的 tau 聚集体显示了从 ad 患者大脑中分离出的 phf 的形态, 并且在招募单体 tau 并将其转化为新生成的聚集体 (这一过程称为播种体) 方面非常有效。该检测具有很高的重现性, 动态曲线在井、实验运行和蛋白质批次之间几乎无法区分。虽然目前的分析只集中在最长的 tau 异形 hutau441, 该应用程序可以适应研究其他形式的 tau 的转换 (ameijde等人, acta 神经病理学通讯, 在报刊上) 此外, 它使机械研究的重点是 tau 等形的相互作用, 并可能揭示在 ad 的 tau 发病机制之间的差异, 其中3r 和4r 等形都存在于 phf 和运动员的疾病或 Frontotemporal 痴呆, 其中 tau 病理主要包含3r 和 4r tau 等形式, 分别为 27。
该检测的高重现性应允许读者在其特定的实验室设置中相对轻松地实施该检测。该分析方法模仿了被认为是陶氏体内的错误折叠和聚集, 从而能够进行机械研究, 揭示陶氏的发病机制, 并成为筛选候选药物和评估其干扰的宝贵工具与不同的步骤的发病过程。
The authors have nothing to disclose.
作者感谢 hector quirante 对 hutau441、hanna inganäs 和 margot van winsen 的表达和纯化, 感谢他们提供了出色的技术支持, 并感谢 martin keldijk 提供了数据分析。
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 |