چند شکلی ساختاری متمایز از سنگدانه های تاو توسط طیف سنجی مادون قرمز در مقیاس نانو آشکار شد

خلاصه

تجمع پروتئین تاو در چندین بیماری تخریب کننده عصبی که در مجموع به عنوان تائوپاتی شناخته می شوند، از جمله بیماری آلزایمر و پارکینسون نقش اساسی دارد. تاو به اشتباه به ساختارهای بتای فیبریلار تبدیل می‌شود که رشته‌های مارپیچی جفتی موجود در پیچ‌های نوروفیبریلاری را تشکیل می‌دهند. مشخص است که می‌تواند ناهمگونی‌های ساختاری قابل توجهی در سنگدانه‌های تاو مرتبط با بیماری‌های مختلف وجود داشته باشد.

با این حال، در حالی که ساختار فیبریل های بالغ مورد مطالعه قرار گرفته است، توزیع ساختاری در دانه های تاو در مراحل اولیه به خوبی درک نشده است. در مطالعه حاضر، ما از AFM-IR برای بررسی طیف‌های نانومقیاس فیبرهای تاو منفرد در مراحل مختلف تجمع و نشان دادن حضور چند شکل فیبریلار که ساختارهای ثانویه متفاوتی را نشان می‌دهند، استفاده می‌کنیم. ما همچنین نشان می‌دهیم که فیبریل‌های بالغ حاوی مقادیر قابل‌توجهی از صفحات بتا ضد موازی هستند. نتایج ما اولین کاربرد طیف‌سنجی مادون قرمز در مقیاس نانو برای دانه‌های تاو است و بر وعده طیف‌سنجی فروسرخ با تفکیک فضایی برای بررسی تجمع پروتئین تأکید می‌کند.

بیماری آلزایمر یک بیماری تخریب‌کننده عصبی با شیوع بالا است و ویژگی‌های اصلی پاتولوژیک آن از دست دادن شدید نورون‌ها و سیناپس‌ها و تجمع آمیلوئید (-آمیلوئید) و پروتئین تاو (پروتئین مرتبط با میکروتوبول) در مغز است. این پروتئین ها ساختارهای فیبریل بالغ را در طول پیشرفت بیماری تشکیل می دهند و الیاف پروتئینی این ساختار می تواند منجر به مرگ نورون ها و زوال شناختی شود. فیبریل های بالغ نسبت به پروتئین های آمیلوئید و تاو نقش شدیدتری در تشکیل بیماری دارند. این به این دلیل است که تشکیل فیبریل های بالغ نقطه پایانی مکانیسم بیماری زایی است که باعث تشدید از دست دادن نورون ها و سیناپس ها در طول پیشرفت بیماری و تسریع پیشرفت بیماری می شود. بنابراین، برای تحقیق و توسعه درمان بیماری آلزایمر، تحقیق و اکتشاف فیبرهای بالغ نیز به کانون تحقیقاتی تبدیل شده است. در تحقیقات خود متوجه شدیم که سیستانچ در درمان بیماری آلزایمر موثر است. سیستانچ حاوی مقدار زیادی آنتوسیانین و فلاونوئید است که اثر آنتی اکسیدانی قوی دارد. این مواد می توانند به کاهش تولید رادیکال های آزاد و محافظت از سلول های مغز در برابر آسیب اکسیداتیو کمک کنند و در نتیجه احتمال تخریب عصبی را کاهش دهند.

روی مکمل cistanche deserticola کلیک کنید

کلید واژه ها

تاو; تجمع؛ بیماری آلزایمر؛ AFM-IR; طیف سنجی IR در مقیاس نانو؛ AFM; ساختار فیبریل؛ صفحات بتا ضد موازی

تا کردن و تجمع نادرست پروتئین‌های تاو به توده‌های فیبریلار، نشانه پاتولوژیک بسیاری از بیماری‌های تخریب‌کننده عصبی به نام تائوپاتی، از جمله بیماری آلزایمر و پارکینسون است1-5. تاو یک پروتئین مرتبط با میکروتوبول (MT) است که به اشتباه در رسوبات سلولی نامحلول به نام درهم تنیده های عصبی فیبریلاری (NFTs) 1-2، 5-6 تا می شود.

در حالی که شواهد اولیه به سمیت عصبی بالقوه NFT ها اشاره می کند، اکنون اعتقاد بر این است که مجموعه های الیگومری پیش فیبریلار گونه های عصبی اصلی هستند3، 5-6. توضیح مسیرهای خاص فیبریلیزاسیون تاو ممکن است بینشی در مورد مکانیسم های بیماری ارائه دهد و اهداف درمانی بالقوه را برای کشف دارو نشان دهد. تلاش های قابل توجهی برای درک تجمع تاو و نقش عوامل مختلفی که تجمع را تعدیل می کنند، انجام شده است. نقش سایر پروتئین های آمیلوئید مانند آمیلوئید بتا در تغییر ساختار تاو نیز بررسی شده است{4}}. مشخص است که رشته‌های تاو در NFTها ساختاری متقاطع بتا مشابه پلاک‌های آمیلوئید دارند. با این حال، توضیح جامع تکامل ساختاری تاو که منجر به تشکیل فیبریل می شود یک چالش باقی مانده است.

در مغز انسان، شش ایزوفرم تاو مختلف شناسایی شده است که از نظر تعداد باقی مانده‌های اسید آمینه 2، 5، 22 متفاوت است. ایزوفرم غالب و ساختار فیبریلار می‌تواند با بیماری متفاوت باشد. انعطاف پذیری از این رو، مقدار قابل توجهی از علاقه تحقیقاتی بر روی پپتیدهای کوتاه معطوف شده است که حوزه‌های اتصال میکروتوبول را نشان می‌دهند، که برای تجمع تاو به جای پروتئین‌های تمام قد حیاتی هستند. علاوه بر این، تاو و ایزوفرم‌های آن چندشکلی را نشان می‌دهند: اساساً پپتیدهای یکسانی در ساختارهای فیبریلری مختلف تجمع می‌یابند که نه تنها از نظر مورفولوژی، بلکه از نظر آرایش مولکولی نیز متفاوت هستند8-9، 26-27. همه عوامل فوق جداسازی و تجزیه و تحلیل ساختاری سنگدانه های تاو خاص تشکیل شده در مراحل مختلف تجمع را به یک کار دشوار تبدیل می کند. ماهیت تجمع آمیلوئید به طور کلی به گونه ای است که مجموعه ای از گونه های تجمع یافته را ایجاد می کند که گذرا هستند و با یکدیگر در تعادل هستند. اخیراً cryo-EM با موفقیت برای حل ساختارهای فیبریلار تاو استفاده شده است. با این حال، کاربردهای آن به فیبریل‌های اساسا بالغ که نقطه پایان تجمع هستند و نه واسطه‌ها محدود می‌شوند.

به ویژه، جنبه های ساختاری واسطه های تاو در مراحل اولیه به خوبی درک نشده است. استاندارد طلایی برای تعیین ساختار ثانویه سنگدانه های آمیلوئید مانند، به طور کلی، تکنیک های طیف سنجی مانند تشدید مغناطیسی هسته ای حالت جامد (ssNMR) و طیف سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR)15، 28-31 است. با این حال، هیچ یک از این تکنیک‌ها قادر به ارائه تفکیک فضایی در مقیاس واحدهای منفرد نیستند، و بدون تفکیک فضایی، دشوار است که به طور واضح ویژگی‌های طیفی را به توده‌ها یا مورفولوژی‌های خاص نسبت دهیم یا تعیین کنیم که کدام گونه‌های گذرا به یک مورفولوژی خاص تکامل می‌یابند. اساساً نمی توان تعیین کرد که آیا ویژگی های طیفی مشاهده شده از یک حالت تجمع خاص یا مخلوطی آماری از ترکیبات مختلف ناشی می شوند.

در نتیجه، تنها ساختارهای متوسط ​​الیگومرها و فیبریل ها شناخته شده است و تغییرات ساختاری ناهمگونی در هر حالت، در صورت وجود، به خوبی شناخته نشده است. برای پیشرفت دانش ما در مورد تجمع تاو و سایر پروتئین های آمیلوئیدوژن در شرایط مختلف، درک ساختار هر یک از اعضای گروه ساختاری در مراحل مختلف تجمع ضروری است. در دهه گذشته شاهد توسعه رویکردهای جدید برای بهبود وضوح فضایی طیف‌سنجی ارتعاشی بوده‌ایم که طیف‌سنجی مادون قرمز را با AFM برای دستیابی به وضوح نانومتری ترکیب می‌کند.

یکی از جدیدترین رویکردهای مبتنی بر AFM توسعه‌یافته از رزونانس ناشی از فتوترمال (PTIR) بهره می‌برد، که در آن انبساط حرارتی موضعی ناشی از جذب فروسرخ توسط یک نمونه توسط نوک AFM 32-35 حس می‌شود. بنابراین AFM-IR فتوترمال محدودیت وضوح در میکروسکوپ IR معمولی را با استفاده از نوک یک پروب AFM برای اندازه‌گیری جذب مادون قرمز دور می‌زند. جذب تشعشع از طریق تحریک تشدید یک حالت مادون قرمز منجر به انبساط حرارتی نمونه می شود و یک نیروی ضربه ای بر روی کنسول AFM ایجاد می کند. پاسخ پروب AFM حاصل متناسب با جذب مادون قرمز است و اسکن طول موج یک طیف جذب مادون قرمز را به دست می دهد که مربوط به ناحیه نانومقیاس نمونه است (شکل 1).

بنابراین، بر خلاف تکنیک‌های مرسوم نوری، AFM-IR می‌تواند ساختارهای نانومقیاس را با جزئیات شیمیایی بی‌سابقه بررسی کند و بهترین‌های هر دو جهان را ترکیب می‌کند: وضوح فضایی AFM و وضوح شیمیایی مادون قرمز. در حالی که AFM-IR برای مطالعه توده های پپتیدهای آمیلوئیدوژن مانند بتا آمیلوئید و آلفا سینوکلئین{3}} استفاده شده است، هرگز برای مطالعه تجمع تاو استفاده نشده است. در این مطالعه، ما از قابلیت‌های AFM-IR استفاده می‌کنیم و فیبرهای ایزومر tau-441 را در مراحل مختلف تجمع بررسی می‌کنیم تا نشان دهیم که در مراحل اولیه تجمع، ناهمگونی قابل‌توجهی در ساختار فیبریل وجود دارد، حتی بدون هیچ گونه تغییر قابل توجهی. در مورفولوژی نتایج ما برای اولین بار نشان می دهد که می تواند تفاوت های اساسی در ساختار ثانویه فیبریل هایی که مورفولوژی یکسانی دارند وجود داشته باشد. چند شکلی از نظر ساختاری متمایز فیبریل مشاهده می شود. یکی از نظر ساختاری منظم تر از بقیه است، که همچنین گذرا است و در فیبریل های بالغ یافت نمی شود. علاوه بر این، ما همچنین نشان می‌دهیم که فیبریل‌های تاو می‌توانند حاوی صفحات بتا ضد موازی باشند، که معمولاً با مورفولوژی فیبریل همراه نیستند.

برای درک تکامل ساختاری فیبریل‌ها با زمان، فیبریل‌ها را در زمان‌های مختلف تجمع، یعنی بعد از 3، 5، 10 و 15 روز از تجمع بررسی کردیم. برای هر اندازه گیری، مقدار کمی بر روی زیرلایه های طلا سپرده شد و در زیر نیتروژن خشک شد. تصاویر توپوگرافی AFM از فیبریل های تاو پس از 3 روز انکوباسیون در 37 درجه در شکل 2 نشان داده شده است. شکل 2A یک خوشه فیبریل نماینده را نشان می دهد. تصاویر بیشتر AFM از فیبرهای منفرد در تمام مراحل مختلف تجمع در شکل S{8}}S5 نشان داده شده است. برای به دست آوردن توزیع ارتفاع کلی فیبریل ها در نمونه، مقادیر ارتفاع فیبریل ها اندازه گیری شد و به صورت هیستوگرام رسم شد (شکل 2B). داده‌ها با یک گاوسی برازش شدند تا میانگین ارتفاع 7.7 ± 6.30 نانومتر تعیین شود. تصاویر AFM از 5-فیبریل‌های روز و تحلیل ارتفاع مربوطه در شکل 2C-D نشان داده شده‌اند. فیبریل های منفرد همراه با خوشه های فیبریل مشاهده می شوند. ارتفاع فیبریل ها 6.5±0.9 نانومتر است که نزدیک به ارتفاع نمونه فیبریل 3-روزه باقی می ماند.

سپس، فیبرهای تاو با انکوباسیون {{0}}روزه بررسی شدند (شکل 2E-F). فیبریل های جداگانه روی سطح طلا مشاهده شد (شکل 2E). ارتفاع متوسط ​​فیبرهای 10- روز 7.2±1.0 نانومتر است. فیبریل های بالغ تاو، که پس از 15 روز تجمع تولید می شوند، در شکل 2G نشان داده شده اند. فیبرهای 15-روزه بلند و درهم با یکدیگر هستند و مورفولوژی شبکه مانندی ایجاد می‌کنند. در این مرحله از تجمع، فیبرهای جداگانه دیگر قابل مشاهده نیستند. میانگین ارتفاع فیبریل 42.5±40.5 نانومتر است (شکل 2H) که در مقایسه با سایر فیبریل هایی که در زمان های قبلی تولید شده اند به طور قابل توجهی بالاتر است. توزیع گسترده ارتفاع فیبریل‌ها نشان می‌دهد که فیبریل‌های بالغ بر خلاف توزیع باریک فیبریل‌های قبلی، مقادیر ارتفاع متفاوتی دارند. ساختارهای فیبریلار مشاهده شده در اینجا با گزارش‌های قبلی AFM از تجمع تاو مطابقت دارد. مشاهدات مهم دیگر از اندازه گیری های AFM این است که فیبرهای تاو تولید شده در محلول از نظر مورفولوژی همگن هستند.

آنها مستقیم هستند، فاقد هر گونه ساختارهای انشعاب یا پیچ خورده، با حداقل تغییرات ارتفاع در یک فیبریل هستند. با بلوغ فیبریل، ما شاهد افزایش ارتفاع فیبریل هستیم، اما مورفولوژی جدیدی ایجاد نمی شود. این را می توان در شکل S5 مشاهده کرد، جایی که مورفولوژی فیبریل های 3-روز و 10-روز در یک نقشه رنگی رنگین کمان نشان داده شده است و نشان می دهد که آنها حداقل تغییرات ارتفاع را در یک فیبریل دارند. در حالی که فیبریل ها هیچ تفاوت مورفولوژیکی قابل توجهی نشان نمی دهند، طیف IR در مقیاس نانو فیبرها دارای تفاوت های قابل توجهی است.

به طور خاص، برای فیبرهای 3-روزه، ما سه پلی‌مورف فیبریل مختلف با طیف‌های مجزا مشاهده می‌کنیم. برای فیبرهای بالغ 5-روز، 10-روز و 15-روز، ما فقط یک ترکیب را مشاهده می‌کنیم. توجه می کنیم که معمولاً چندشکلی برای نشان دادن فیبرهای مورفولوژیکی متمایز استفاده می شود که می توانند در مورد ساختار مولکولی نیز متفاوت باشند2، 26. در مورد ما مورفولوژی ثابت است، اما فیبریل ها را می توان بر اساس طیف آنها به سه زیرگروه مجزا طبقه بندی کرد. برای وضوح، در ادامه این مقاله به این ساختارها / چند شکلی به ترتیب به عنوان نوع 1، نوع 2 و نوع 3 اشاره می کنیم. طیف های مادون قرمز نماینده در محدوده آمید-I در شکل 3 نشان داده شده است. طیف ها میانگین اندازه گیری های متعدد در طول فیبریل ها هستند. طیف های بیشتری در اطلاعات پشتیبانی ارائه شده است (شکل S6). طیف 3-نوع فیبریل روز-1 شامل یک قله برجسته در ~1628cm-1 و یک شانه کوچکتر در ~1670cm-1 است.

علاوه بر این، یک نوار ضعیف در ~1740 سانتی متر{1}} دیده می شود. طیف نوع فیبریل{2}} به طور قابل توجهی متفاوت است و شامل یک نوار آمید-I نامتقارن گسترده شده با مرکز ~1650 سانتی متر{5}} است. هیچ شدت قابل توجهی در بالای 1700cm-1 مشاهده نمی شود. برای نوع فیبریل-3، طیف آمید-I را مشاهده می‌کنیم که بسیار شبیه به نوع-2 است، با یک استثنای اصلی: وجود یک نوار برجسته در ~1738 سانتی‌متر{12}}. جالب است توجه داشته باشید که طیف فیبریل، به جز نوع{13} چند شکلی، دارای پیک تیز در فرکانس های معمولی ورقه بتا ~1630cm-1 نیست، حتی اگر دانه های فیبریل به عنوان بتا موازی ثبت شده شناخته شده باشند. ورق ها پهنای خط وسیع‌تر مشاهده‌شده برای فیبریل‌های نوع 2 و نوع 3، علاوه بر فقدان پیک تیز در فرکانس‌های صفحه بتا، نشان‌دهنده وجود اختلال ساختاری است.

جالب توجه است، ما هیچ گونه واریانس عمده ای در طیف در طول یک فیبریل پیدا نکردیم (شکل S5)، که نشان می دهد فیبریل ها ساختارهای کاملاً مشخصی هستند و دارای اختلالات ساختاری ذاتی هستند. در این زمینه باید توجه داشت که تغییراتی در طیف‌ها در امتداد فیبرها وجود دارد، به‌ویژه برای فیبرهای نوع{2}} که با انحراف استاندارد طیفی بزرگ‌تر مشهود است (شکل 3). با این حال، تفاوت اصلی بین سه زیرگروه فیبریل از نظر شدت باندها در 1628cm-1 و 1738cm-1 است. تغییرات ذکر شده در بالا بر طبقه بندی فیبریل ها به یک زیرگروه یا دیگری تأثیر نمی گذارد.

فیبریل‌های بالغ 5-روز، 10-روز، و 15-روزه هیچ ناهمگنی طیفی از خود نشان نمی‌دهند و یک چند شکلی برای هر مورد مشاهده می‌شود (شکل 3). طیف فیبریل 5-روز اندکی (~6cm-1) به سمت اعداد موج بالاتر در مقایسه با فیبریل‌های نوع 2 و نوع 3 تغییر می‌کند و همچنین افزایش پهنای خط را نشان می‌دهد. فیبریل‌های 10-روزه و 15-روزه بالغ دارای طیف‌هایی هستند که مشابه فیبریل‌های نوع 2 هستند، با 4 سانتی‌متر ~1 به عدد موج‌های بالاتر منتقل شده‌اند. تمام فیبرهای 5-روزانه، 10-روزی و 15-روزی فاقد قله مشخص بالای 1700 سانتی‌متر-1 هستند.

بینش کلیدی از طیف فیبریل این است که در مراحل اولیه بلوغ، ناهمگونی قابل توجهی در ساختار فیبریل وجود دارد و پس از بلوغ، فیبریل ها به یک ساختار واحد تبدیل می شوند. با این حال، درک دقیق تغییرات ساختاری زیربنایی از بازرسی طیف به تنهایی دشوار است. بنابراین، برای به دست آوردن بینش بیشتر در مورد تغییرات طیفی و ساختاری بین چندشکل های مشاهده شده، طیف ها از طریق برازش طیفی از هم پیچیده شدند. طیف آمید I پروتئین ها معمولاً حاوی مشارکت هایی از ساختارهای ثانویه مختلف است41-42.

از آنجایی که ساختار ثانویه کمک کننده به هر یک از طیف های مشاهده شده دقیقاً پیشینی شناخته نشده است، برای تعیین تعداد پیک ها به طیف مشتق دوم روی آوردیم (شکل S8). استفاده از مشتق دوم داده‌های طیفی برای تعیین پیک‌های زیربنایی یک روش شناخته شده در طیف‌سنجی است{2}}. ما از تعداد پیک‌ها در طیف مشتق دوم و فرکانس‌های متناظر آن‌ها به عنوان نقطه شروع برای برازش طیفی استفاده کردیم. نتایج برازش برای طیف میانگین فیبرهای بالغ 3-روز، 5-روز، 10-روز و 15-روز در شکل 4A-F نشان داده شده است. درصد مشارکت پیک های برازش شده در طیف کلی در شکل 4G-L نشان داده شده است. طیف ها به حداکثر شدت نرمال می شوند، اما هر زیر باند را برای یک طیف معین به طور مساوی مقیاس می کند. از این رو، جمعیت نسبی باندها، همانطور که در شکل 4G-L نشان داده شده است، تحت تأثیر عادی سازی قرار نمی گیرند. پارامترهای تناسب در جدول پشتیبانی 1 ارائه شده است.

برای فیبرهای نوع-1 3-روز، سه باند گاوسی هر دو طیف را با وفاداری بالا، با فرکانس‌های مرکزی در 1628cm-1، 1659cm-1، و 1670cm-1 مطابقت می‌دهند. طیف فیبریل نوع-2 3-روز با پنج باند زیرین، با فرکانس‌های 1626cm-1، 1642cm-1، 1662cm-1، 1680cm-1 و 1694cm-1 متناسب است. همانطور که از شباهت طیفی انتظار می رود، فیبریل نوع{18}} در همان پنج نوار قرار می گیرد، اما به یک قله اضافی در 1736 سانتی متر{20}} نیز نیاز دارد. با گسترش آنالیز دکانولوشن طیفی خود به فیبریل‌های بالغ‌تر، می‌بینیم که فیبرهای 5-روز، 10-روز و 15-روزه اساساً دارای توزیع یکسانی از ساختارهای ثانویه هستند. طیف های فیبریل 5-روز، 10-روز، و 15-روز همگی به شش باند برای برازش بهینه نیاز دارند، که در آن پیک تعداد موج بالا به ~1725 سانتی متر-1 تغییر می کند و پنج قله دیگر شبیه فیبرهای نوع{29}}.

اوج 1626-1628cm−1 در همه برازش‌ها را می‌توان به صفحات بتا نسبت داد، که نشان می‌دهد همه پلی‌مورف‌های فیبریلار حاوی ساختار بتای ورق هستند28, 30, 41-42. قله 1642cm-1 معمولاً از سیم پیچ های تصادفی ناشی می شود، در حالی که قله های ~1660cm-1 و 1682cm-1 معمولاً به پیچ های بتا اختصاص داده می شوند. روی هم رفته، دکانولوشن طیفی نشان می دهد که پس از بلوغ، اختلال بیشتری در ساختار فیبریل وجود دارد، همانطور که با افزایش پیک سیم پیچ تصادفی نسبت به پیک ورق بتا مشهود است. حضور چرخش های بتا و افزایش نسبی آنها، که با شدت قله نصب شده 1660cm-1 مشهود است، با ساختار بتا متقاطع مورد انتظار فیبریل ها مطابقت دارد. با این حال، وجود نوارها در ~1694cm-1 و~1725cm-1 تا حدودی غیرمنتظره است. اولی معمولاً به صفحات بتای ضد موازی41-42، 45 نسبت داده می‌شود و در الیگومرهای بتا آمیلوئید45-46 و آلفا سینوکلئین38 مشاهده شده است. در حالی که ساختارهای بتای ضد موازی برای مجموعه های آمیلوئیدی الیگومری شناخته شده اند، وجود آنها در فیبریل ها به ندرت مشاهده شده است. مطالعات IR دوبعدی، امضاهای ضد موازی صفحات بتا را در فیبرهای سینوکلئین شناسایی کرده است. جهش یافته های خاص بتا آمیلوئید نیز ساختار بتای ضد موازی را نشان می دهند47. نتایج ما، تا جایی که می‌دانیم، اولین مشاهده صفحات بتای ضد موازی برای دانه‌های تاو است. پیک بتای ضد موازی به طور آشکار در چند شکلی نوع-1 وجود ندارد. این نشان می‌دهد که فیبریل‌ها می‌توانند یک ساختار صلب و منظم (نوع چند شکلی{34}}) که عمدتاً صفحات بتای موازی است، اتخاذ کنند، اما افزایش انعطاف‌پذیری ساختاری و/یا اختلال می‌تواند منجر به تشکیل صفحات بتای ضد موازی شود.

با این حال، مهم است که توجه داشته باشید که قله ~1626cm-1 به طور معمول به طور قابل توجهی بین صفحات بتای موازی و ضد موازی تغییر نمی کند. بنابراین، نتایج ما احتمال وجود صفحات بتای موازی را در هیچ یک از فیبریل‌ها که در آن پیک ~1694cm-1 مشاهده می‌شود، منع نمی‌کند. اوج در ~1725cm-1 را نمی توان به ارتعاش آمید ستون فقرات نسبت داد، و به احتمال زیاد از کشش COOH اسیدهای کربوکسیلیک زنجیره جانبی ناشی می شود41-42. کار اخیر پینتو و همکارانش راهبردهایی را برای محاسبه طیف IR نوار کربونیل گروه COOH اسید آسپارتیک با استفاده از روش‌های محاسباتی ترکیبی کوانتومی/کلاسیک نشان داده است. یافته‌های آن‌ها نشان داده است که زنجیره جانبی پروتونه‌شده در ناحیه 1700-1780 سانتی‌متر-1 ظاهر می‌شود و یک جابجایی فرکانس 5-10 سانتی‌متر-1 می‌تواند به عنوان کاوشگر برای تعامل بین زنجیره جانبی و زنجیره جانبی استفاده شود. ستون فقرات توالی پپتیدی Tau 441 دارای اسیدهای کربوکسیلیک متعددی است، از جمله در حوزه‌های تکراری اتصال به میکروتوبول، که نشان داده شده است که تمایل بالایی برای تشکیل صفحات بتا دارند{14}}.

اندازه‌گیری‌های AFM-IR سایر دانه‌های آمیلوئید پیک‌های مشابهی را شناسایی کرده‌اند که به اسیدهای کربوکسیلیک نسبت داده می‌شوند. با این حال، این نوار اسید کربوکسیلیک در برخی از فیبریل‌ها بیشتر از سایر فیبرها است: سهم آن در اوج کلی فقط برای نوع-3 3-فیبریل روز و فیبریل 5-روز مهم‌تر است، همانطور که در زیر مشاهده می‌شود. شکل 4. در طیف سنجی مادون قرمز، هم ترازی دوقطبی در ساختارهای مرتب اغلب منجر به افزایش شدت باندهای جذب می شود. یک مثال مرتبط، تشکیل صفحات بتا مرتب شده از پپتیدهای نامرتب است که منجر به ایجاد نوارهای شدید تیز در ~1625cm-1 می شود. بنابراین، حضور باندهای اسید کربوکسیلیک شدید احتمالاً از ترتیب ساختاری زنجیره‌های جانبی اسید گلوتامیک و آسپارتیک ناشی می‌شود. با این حال، زنجیره‌های جانبی کربوکسیلات متعددی در تاو وجود دارد، و برهمکنش‌های مولکولی خاص و جهت‌گیری‌های آن‌ها دقیقاً برای ساختارهای مشاهده‌شده در اینجا مشخص نیست.

علاوه بر این، شدت در طیف‌های AFM-IR متناسب با FTIR{1}} است، اما ضریب همبستگی عددی بین AFM-IR و FTIR برای ارتعاشات اسید کربوکسیلیک گزارش نشده است. از این رو، همبستگی شدت پیک با زنجیره‌های جانبی کربوکسیلیک خاص به محاسبات/ملاحظات نظری پاسخ AFM-IR نیاز دارد که فراتر از محدوده این کار است. همچنین در این زمینه توجه به این نکته مهم است که اندازه‌گیری‌های AFM-IR با طیف‌های مادون قرمز همسانگردی که در محلول به دست می‌آیند متفاوت است و طیف‌های اندازه‌گیری‌شده در AFM-IR یک پیچیدگی از پلاریزاسیون لیزری و پیکربندی روشنایی هستند{6}}. بنابراین، شناسایی دقیق زیربنای ساختاری این قله دشوار است و برای تعیین منشاء دقیق آنها تحقیقات بیشتری لازم است. ما قصد داریم در کارهای آینده به این موضوع بپردازیم.

تجمع ایزومرهای تاو در شرایط آزمایشگاهی به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته است. با این حال، ساختار واسطه های اولیه و/یا گذرا به خوبی شناخته شده نیست. گونه های الیگومر در تجمع پروتئین آمیلوئیدی شناسایی شده اند که در مسیر تشکیل فیبریل یا خارج از آن هستند. از آنجایی که اعتقاد بر این است که فیبریل‌ها نقطه پایانی تجمع هستند، ساختارهای فیبریل، از جمله چند شکل‌های مختلف آن، عموماً به عنوان گذرا یا خارج از مسیر در نظر گرفته نمی‌شوند. ناهمگونی در ساختار فیبریل وجود دارد، اما مشخص شده است که خود را همزمان با تغییرات مورفولوژیکی نشان می دهد. . توجه می‌کنیم که به جز نوع فیبریل-1، همه طیف‌های فیبریل دارای مجموعه یکسانی از نوارهای زیرین هستند، که نشان می‌دهد فیبریل نوع-1 یک واسطه گذرا است که در نهایت با بلوغ سازمان‌دهی مجدد ساختاری را تجربه می‌کند. احتمال دیگر این است که این پلی‌مورف‌های موازی ورق بتا، ساختار «خارج از مسیر» را نشان می‌دهند، باید به دانه‌های مونومری یا پیش‌فیبریلار تجزیه شود تا دوباره به فیبریل‌های «روی مسیر» ادغام شوند. ما هیچ حضور قابل توجهی از رسوبات غیر فیبریلار در نمونه های مورد مطالعه پیدا نکردیم. با این حال، موارد حاضر طیفی داشتند که بیشتر شبیه فیبریل های آشفته بود (شکل S9). این با فرضیه خارج از مسیر مطابقت دارد و بنابراین نشان می‌دهد که سایر چندشکلی‌های روز مشاهده‌شده را می‌توان به‌عنوان توده‌های روی مسیر مشاهده کرد.

با این حال، باید توجه داشت که طیف فیبریل‌های گزارش‌شده در اینجا لزوماً کل مجموعه ترکیبی را که در طول تجمع تاو غالب است، دربر نمی‌گیرد. برای روشن کردن دقیق تکامل ساختاری دانه‌های مرحله اولیه به فیبریل‌های بالغ، تجزیه و تحلیل دقیق‌تری از سینتیک تجمع ضروری است که در آینده قصد داریم به آن بپردازیم. مشاهدات جالب دیگری که توسط AFM-IR فعال شده است، شناسایی صفحات بتای موازی در فیبرهای بالغ است. به طور کلی اعتقاد بر این است و توسط بسیاری از مطالعات ثابت شده است که سنگدانه های آمیلوئیدی در مراحل اولیه می توانند دارای ساختار ضد موازی باشند که در دانه های بالغ به سکبت ورق بتای موازی تبدیل می شود. ما روند مخالفی را مشاهده می‌کنیم: دانه‌های مرحله اولیه می‌توانند حاوی ورقه‌های بتای موازی مرتب باشند در حالی که فیبریل‌های بالغ‌تر حاوی صفحات بتا ورق ضد موازی هستند که توسط جمعیت‌های نسبی پیک مربوطه مشهود است (شکل‌های 4G-L).

به طور خلاصه، ما با استفاده از طیف‌سنجی AFM-IR در مقیاس نانو نشان داده‌ایم که فیبرهای تاو می‌توانند تغییرات ساختاری قابل‌توجهی داشته باشند، به ویژه در مراحل اولیه تجمع. ناهمگونی به شکل چندشکلی های متمایز ساختاری آشکار می شود که مورفولوژی مشابه اما ساختار ثانویه متفاوتی را نشان می دهند. به طور خاص، ما یک ورقه بتا شیبتا موازی مرتب شده گذرا را در فیبریل‌های مرحله اولیه شناسایی می‌کنیم که پس از بلوغ به ساختار فیبریلی نامنظم‌تری تبدیل می‌شود که حاوی صفحات بتا ضد موازی است. این نتایج بر نیاز به جفت کردن طیف‌سنجی با تکنیکی مانند AFM تاکید می‌کند، زیرا نمی‌توان به‌طور واضح این تعیین را از تکنیک‌های میانگین مکانی مانند FTIR انجام داد. نتایج تجربی توصیف‌شده در این مطالعه نشان می‌دهد که سنگ‌دانه‌های فیبریلار تاو ناهمگن هستند و کار آینده به این موضوع می‌پردازد که آیا این پلی‌مورف‌ها در شرایط مختلف تجمع و در تجمع دانه‌های لیزات‌های مغزی باقی می‌مانند تا اهمیت آنها در زمینه تائوپاتی‌های مختلف را درک کنیم.

مواد تکمیلی

برای مطالب تکمیلی به نسخه وب در PubMed Central مراجعه کنید.

تصدیق

این کار توسط مؤسسه ملی بهداشت (جایزه 1 R35 GM138162 به AG) پشتیبانی شد.

منابع

1. شیمیچ جی; بابیچ لکو ام; Wray S; هرینگتون سی; دلال I; Jovanov-Milošević N; Bažadona D; Buée L; د سیلوا آر; دی جیووانی جی; ویشیک سی; هیپرفسفوریلاسیون و تجمع پروتئین Hof PR Tau در بیماری آلزایمر و سایر تائوپاتی‌ها و استراتژی‌های محافظت عصبی احتمالی. Biomolecules 2016، 6 (1)، 6-6. [PubMed: 26751493]

2. لی دی; لیو سی تعیین شیمیایی سلسله مراتبی پلی‌مورف‌های آمیلوئید در بیماری‌های نورودژنراتیو. Nature Chemical Biology 2021، 17 (3)، 237-245. [PubMed: 33432239]

3. کامتانی ف; Hasegawa M بررسی مجدد فرضیه آمیلوئید و فرضیه تاو در بیماری آلزایمر. Frontiers in Neuroscience 2018، 12 (25).

4. Iadanza MG; جکسون نماینده مجلس؛ هویت EW; رانسون NA; Radford SE عصر جدیدی برای درک ساختارهای آمیلوئید و بیماری. Nature Reviews Molecular Cell Biology 2018، 19 (12)، 755-773. [PubMed: 30237470]

5. Ballatore C; Lee VMY; تروجانوفسکی JQ Tau با واسطه تخریب عصبی در بیماری آلزایمر و اختلالات مرتبط. Nature Reviews Neuroscience 2007، 8 (9)، 663-672. [PubMed: 17684513]

6. کولاروا م. گارک; #00ED; a-Sierra F; بارتوس A; ریکنی جی; ساختار Ripova D و آسیب شناسی پروتئین تاو در بیماری آلزایمر. مجله بین المللی بیماری آلزایمر 2012، 2012، 13.

7. تاپیولا تی; آلافوزوف اول; Herukka SK; پارکینن ال; Hartikainen P; Soininen H; مایع مغزی نخاعی Pirttilä T - آمیلوئید 42 و پروتئین های تاو به عنوان نشانگرهای زیستی تغییرات پاتولوژیک نوع آلزایمر در مغز. JAMA Neurology 2009، 66 (3)، 382-389.

8. Mukrasch MD; بیبو اس; Korukottu J; جگاناتان اس; Biernat J; گریزینگر سی; ماندلکو ای; چند شکلی ساختاری Zweckstetter M از 441-تاو باقی مانده در تفکیک پذیری تک باقیمانده. PLOS Biology 2009, 7 (2), e1000034.

9. Scheres SHW; ژانگ دبلیو; شاهین B; ساختارهای Goedert M Cryo-EM از رشته های تاو. دیدگاه فعلی در زیست شناسی ساختاری 2020، 64، 17-25. [PubMed: 32603876]

10. Fitzpatrick AWP; شاهین B; او هست؛ Murzin AG; مرشدوف جی; Garringer HJ; Crowther RA; گتی بی; گودرت ام; ساختارهای Scheres SHW Cryo-EM رشته های تاو از بیماری آلزایمر. طبیعت 2017، 547 (7662)، 185–190. [PubMed: 28678775]

11. Makky A; Bousset L; مدیونا ک. Melki R تصویربرداری میکروسکوپ نیروی اتمی و خواص نانومکانیکی شش مجموعه ایزوفرم تاو. مجله بیوفیزیکال 2020، 119 (12)، 2497-2507. [PubMed: 33217380]

12. متریک MA; فریرا NDC; Saijo E; کراوس A; نیول کی; زانوسو جی; وندروسکولو M; گتی بی; سنجش فراحساس منفرد Caughey BA برای تشخیص و تشخیص توده‌های تاو بیماری‌های آلزایمر و پیک. Acta Neuropathologica Communications 2020، 8 (1)، 22. [PubMed: 32087764]

13. هایلی ز; منگ اس آر; فن JB; چن جی; لیانگ وای فیبریلیزاسیون تاو انسانی با قرار گرفتن در معرض سرب از طریق تعامل با His-330 و His-362 تسریع می‌یابد. PloS one 2011, 6, e25020. [PubMed: 21966400]

14. فون برگن ام; بارگورن اس; لی ال; مارکس A; Biernat J; جهش‌های Mandelkow EM پروتئین تاو در دمانس فرونتوتمپورال، تجمع رشته‌های مارپیچی زوجی را با تقویت ساختار موضعی ترویج می‌کند. مجله شیمی بیولوژیکی 2002، 276، 48165-74.

15. فراست ب; Ollesch J; ویل اچ; Diamond MI تنوع ساختاری فیبرهای تاو نوع وحشی مشخص شده توسط تغییر ساختار الگو. مجله شیمی بیولوژیکی 2009، 284 (6)، 3546-3551.

16. لیو دبلیو; هو ایکس; ژو ال; Tu Y; شی اس; دیدگاه الهام گرفته از جهت گیری Yao T در مورد بازدارنده مولکولی تجمع تاو توسط کورکومین کونژوگه با داربست پیچیده روتنیم (II). مجله شیمی فیزیک B 2020، 124 (12)، 2343-2353. [PubMed: 32130010]

17. پروکوپویچ دی وی; Whittaker JW; Muthee MM; احمد ع. Larini L تاثیر فسفوریلاسیون و شبه فسفریلاسیون در مراحل اولیه تجمع پروتئین تاو مرتبط با میکروتوبول. مجله شیمی فیزیک B 2017، 121 (9)، 2095-2103. [PubMed: 28218850]

18. آریا اس; Ganguly P; آرسیچیو A; کلود SL; تله B; Schonfeld GE; لیو ایکس; لازار کانترل K; شی JE; درپوش پایانه Bowers MT یک قطعه تاو آمیلوئیدوژنیک تمایل فیبریلاسیون آن را تعدیل می کند. مجله شیمی فیزیک B 2020، 124 (40)، 8772-8783. [PubMed: 32816481]

19. Rojas AV; Maisuradze GG; Scheraga HA وابستگی تشکیل دانه های مخلوط تاو و پپتیدی به ساختار ثانویه ناحیه N-ترمینال A. مجله شیمی فیزیک B 2018، 122 (28)، 7049-7056. [PubMed: 29940109]

20. Qi R; لو یو; وی جی; Nussinov R; Ma BA مکانیسم کاشت متقاطع "کشش و بسته بندی" می تواند باعث تجمع پروتئین تاو شود. مجله نامه های شیمی فیزیک 2015، 6 (16)، 3276-3282.

21. انجام TD; Economou NJ; چماس A; Buratto SK; شی JE; برهمکنش های Bowers MT بین قطعات آمیلوئید و تاو باعث افزایش مصالح نابجا می شود: پیامدهایی برای سمیت آمیلوئید. مجله شیمی فیزیک B 2014، 118 (38)، 11220-11230. [PubMed: 25153942]

22. Buée L; Bussière T; Buée-Scherrer V; دلاکورت A; ایزوفرم های پروتئین Hof PR Tau، فسفوریلاسیون، و نقش در اختلالات نورودژنراتیو. بررسی های تحقیقات مغز 2000، 33 (1)، 95-130. [PubMed: 10967355]

23. Luo Y; Ma B; Nussinov R; بینش ساختاری وی جی در مورد پارادوکس تاو پروتئین در مورد رفتار نابسامان ذاتی، فعالیت خود استیلاسیون، و تجمع. مجله نامه های شیمی فیزیک 2014، 5 (17)، 3026-3031. [PubMed: 25206938]

24. دونگ ایکس; برا اس; Qiao Q; تانگ Y; لائو زی; لو یو; Gazit E; جداسازی فاز مایع-مایع وی جی پروتئین تاو در سطح مونومر کدگذاری شده است. مجله نامه های شیمی فیزیک 2021، 12 (10)، 2576-2586. [PubMed: 33686854]

25. Goux WJ; کوپلین ال; نگوین AD; نشت K; روتکوفسکی ام; شانموگاناندام وی دی; شارما دی; Inouye H; Kirschner DA تشکیل رشته های مستقیم و پیچ خورده از پپتیدهای کوتاه تاو. مجله شیمی بیولوژیکی 2004، 279 (26)، 26868-26875.

26. Fändrich M; نیستروم اس; نیلسون KPR; بوکمان A; لوین H 3; Hammarström P پلی‌مورفیسم فیبریل آمیلوئید: چالشی برای تصویربرداری و درمان مولکولی J Intern Med 2018، 283 (3)، 218-237. [PubMed: 29360284]

27. فیبریل های آمیلوئید Härd T: تشکیل، پلی مورفیسم و ​​مهار. مجله نامه های شیمی فیزیک 2014، 5 (3)، 607-614. [PubMed: 26276617]

28. رزمی B; Lefèvre T; Auger M درک تشکیل فیبریل آمیلوئید با استفاده از قطعات پروتئین: بررسی‌های ساختاری از طریق طیف‌سنجی ارتعاشی و NMR حالت جامد. Biophys Rev 2018، 10 (4)، 1133-1149. [PubMed: 29855812]

29. آیزنبرگ دی اس; Sawaya MR مطالعات ساختاری پروتئین های آمیلوئید در سطح مولکولی. بررسی سالانه بیوشیمی 2017، 86 (1)، 69-95.

30. موران اس دی; Zanni MT چگونه می توان از طیف سنجی فروسرخ بینشی در مورد ساختار و تشکیل آمیلوئید بدست آورد. مجله نامه های شیمی فیزیک 2014، 5 (11)، 1984-1993. [PubMed: 24932380]

31. Tycko R مطالعات NMR حالت جامد در مورد ساختار فیبریل آمیلوئید. بررسی سالانه شیمی فیزیک 2011، 62 (1)، 279-299.

32. Dazzi A; Prater CB AFM-IR: فناوری و کاربردها در طیف‌سنجی مادون قرمز مقیاس نانو و تصویربرداری شیمیایی. بررسی های شیمیایی 2017، 117 (7)، 5146-5173. [PubMed: 27958707]

33. Dazzi A; Prater CB; هو Q; چیس دی بی; رابولت جی اف; Marcott C AFM-IR: ترکیب میکروسکوپ نیروی اتمی و طیف‌سنجی مادون قرمز برای مشخصه‌های شیمیایی در مقیاس نانو. Appl. Spectrosc. 2012, 66 (12), 1365. [PubMed: 23231899]

For more information:1950477648nn@gmail.com