阿尔茨海默病 (AD) 的特征是患者大脑中存在β淀粉样蛋白(Aβ) 斑块和 tau 神经原纤维缠结 (NFT) 的沉积物。Aβ多肽单体可以聚集成可溶性寡聚体，并最终沉积为不溶性纤维。在这些聚集体中，Aβ 寡聚体是毒性最强的物质，会导致神经元功能障碍。由于Aβ 寡聚体具有结构和化学计量异质性等特点，目前Aβ寡聚体结构的表征和特异性抗体的开发依然具有很大的挑战性。近日，瑞士保罗谢勒研究所（Paul Scherrer Institute, PSI）骆静辉团队通过用α-溶血素蛋白 (αHL) 作为支架来稳定Aβ 寡聚体，用单粒子冷冻电镜确定寡聚体的结构。
图1. 用αHL做为支架稳定具有结构和化学计量异质性Aβ 寡聚体。图片来源：Angew. Chem.
与一些神经毒素蛋白质如溶血毒素 (αHL) 一样，Aβ 寡聚体可以渗透细胞膜，破坏细胞膜的完整性并引起细胞膜中的孔道形成，从而损害细胞活力。在这一分子机制中，Aβ 多肽在细胞膜上组装成不同的 β-桶状寡聚体。同样具有跨膜 β-桶结构的溶血素蛋白 (αHL)，由金黄色葡萄球菌分泌，可以在膜环境中自组装成稳定七聚体。同时，αHL展示了与Aβ 寡聚体在功能上的同源性。因此，基于这些特性，骆静辉团队用Aβ序列替换了跨膜αHL的β-桶序列，并借助αHL在膜上自组装的特性，获得了在膜环境下的稳定的Aβ孔状寡聚体（Aβ42-αHL）。蛋白质表达纯化结果显示Aβ寡聚化需要Aβ序列自身决定，这保持了Aβ多肽自身的特性。其次，αHL的外膜区域能够阻止寡聚体与寡聚体之间的相互作用，因此Aβ42-αHL寡聚体能够一直保持稳定的β-桶结构而不发生纤维沉积。值得注意的是，一系列的功能测定证实被稳定的寡聚体（Aβ42-αHL）具有与野生型Aβ42寡聚体相似的功能和毒性。另外Aβ42-αHL寡聚体突出的优势是αHL 的外膜结构域增强了 Aβ 寡聚体的大小和对称性，这为通过单粒子冷冻电镜成像确定结构提供了理想的系统。随后利用冷冻电镜Titan Krios，骆静辉团队在低温条件下收集到了非常均匀的七聚体（141,366 个单粒子）。结构重建显示最终平均3.3 Å 的分辨率，其中 Aβ42 区域的分辨率为4-5 Å。Rosetta能量推断提出了一个最适合密度的配对的结构模型 （PDB：7O1Q）。从结构上看 ，Aβ42-αHL的跨膜β-桶长度比野生型的αHL更短，这与Aβ42-αHL更低的电生理结果一致。
骆静辉团队提出的这种新的单个 Aβ42 寡聚体可以有助于更好地理解脂质膜中淀粉样蛋白寡聚体的结构和动力学，从而对寡聚体毒性的分子机制产生新的见解。同样也有助于理解脂质膜中的膜蛋白寡聚化，特别是关于形成离子通道的β-折叠蛋白。αHL 展示的寡聚体作为模拟抗原，具有明确定义的化学计量，可能允许开发新的、构象特异性抗体。这将允许开发基于免疫诊断方法的替代方法，甚至可能用于 阿尔兹海默症和其他神经退行性疾病的治疗。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是瑞士保罗谢勒研究所博士研究生吴金铭。
注：本文由瑞士保罗谢勒研究所博士研究生吴金铭（jinming.wu@psi.ch）撰写。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Cryo-electron microscopy imaging of Alzheimer’s amyloid-beta 42 oligomer displayed on a functionally and structurally relevant scaffold
Jinming Wu, Thorsten B. Blum, Daniel P Farrell, Frank DiMaio, Jan Pieter Abrahams, Jinghui Luo
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202104497
骆静辉课题组网址：
https://www.psi.ch/en/lnb/people/jinghui-luo
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
