一个高度不稳定的蛋白质导致神经退化

EPFL的科学家们重现了在患有卢伽雷氏病和其他神经系统疾病的患者的大脑中发现的病理蛋白聚集体的关键特征，为潜在的机制和…

　　

               

说明如何暴露TDP43纤维核心增强细胞病理形成

EPFL的科学家们重现了在患有卢伽雷氏病和其他神经系统疾病的患者大脑中发现的病理蛋白聚集体的关键特征，为潜在的机制提供了见解，并为新疗法提供了有希望的途径。研究结果发表在《Nature Neuroscience》杂志上。

 

一些神经退行性疾病，如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和肌萎缩性侧索硬化症(ALS)，都是由蛋白质偏离方向并开始聚集成原纤维而引起的，这些原纤维积聚在特定的大脑区域。现在，EPFL的科学家们发现了一种新的机制，可以解释聚集体是如何变得病态并扩散到大脑的不同区域的。一个主要的怀疑是一种叫做TDP43的高度不稳定的蛋白质。科学家们发现，在大脑中形成的TDP43聚集体在经过处理以显示其“粘性”核心之前并不是隐性致病的。

TDP43蛋白的聚集是ALS和其他神经退行性疾病的标志。一旦形成，TDP43聚集体可以扩散到不同的大脑区域，在那里它们破坏正常和功能的TDP-43。但是首先是什么触发了TDP-43的聚集呢?释放其致病作用的机制是什么?这种知识差距阻碍了阻断TDP-43聚集或中和其毒性的有效药物的开发。

通过裂解释放TDP43的致病作用

在这项最新的EPFL研究中，Senthil Kumar博士和Hilal Lashuel教授与宾夕法尼亚大学的科学家合作，发现了一种新的机制，负责释放TDP43聚集体的致病作用，这些聚集体在试管中制备或从死后患者的大脑中分离出来。这些TDP43聚集体的表面必须首先被酶切割，以显示隐藏的粘性表面，这些粘性表面吸引正常的TDP-43蛋白并诱导形成更多的聚集体。

该论文的第一作者Senthil T. Kumar博士说:“我们有能力在实验室中开发出一种生产原纤维的新方法，这促进了这一发现，这种原纤维与ALS患者大脑中的原纤维具有相同的形态和结构特征。”

               

在前景中，包含全长蛋白的TDP-43原纤维正在被蛋白酶K酶消化(从左至右)，通过暴露淀粉样蛋白核心使原纤维变薄。在背景中，细胞模型仅在核心暴露时显示原纤维的播种-在右侧，明亮的斑点，而当原纤维核心被掩盖时，在左侧，细胞中没有聚集体的播种，因此我们只能看到弥漫性染色。这表明淀粉样蛋白核心必须被揭开，才能使原纤维具有毒性和播种能力

使用低温电子显微镜，在通过电子显微镜观察之前，样品被低温冷冻，研究人员发现TDP-43细丝被埋在一个更大的细丝中，并且是不可接近的，也就是说，还不是病理的，因为它们被蛋白质的球状部分覆盖。只要这些细丝被埋在地下，它们就以隐身模式存在，其他分子或蛋白质无法接近。换句话说，当TDP43的外部涂层被切开，露出其“粘性”的内部细丝时，它就会变得病态，而当其外部涂层完好无损时，它仍处于隐身模式。

“我们的研究结果表明，抑制负责切割TDP-43纤维的酶是一种可行的治疗策略，可以减缓TDP-43聚集体的形成，防止它们在大脑中扩散，从而减缓疾病的进展。下一步，我们计划鉴定这些酶，并确定抑制它们的活性是否可以防止细胞和动物ALS模型中的TDP-43聚集和神经退行性变，”EPFL教授Hilal Lashuel说，他领导了这项研究的实验室。

新的结果也对开发新的工具和方法来早期诊断ALS和其他神经退行性疾病有意义。保护的球状层可以解释为什么TDP-43原纤维如此难以检测。通常用于检测和监测脑中其他可疑蛋白形成的原纤维的标准方法和染料通常无法检测到TDP-43原纤维。“这也解释了为什么使用完整的TDP-43原纤维开发显像剂非常具有挑战性。迫切需要这样的显像剂来实现早期诊断、监测疾病进展和评估新疗法的疗效，”Kumar博士说。

研究全长蛋白的重要性

TDP-43是一种高度不稳定的蛋白质，可以快速聚集成不同的结构，因此以可重复的方式产生类似病理的TDP-43聚集体具有挑战性。这迫使许多科学家研究蛋白质的小片段，特别是来自负责驱动其聚集的区域的片段。Kumar博士说:“当我们确定在实验室中制备的TDP-43原纤维核心的蛋白质片段的结构时，我们获得了与从患者大脑中分离的TDP-43原纤维不同的结构，尽管这些片段的氨基酸序列实际上是相同的。”

Hilal Lashuel说:“我们的研究结果表明，易聚集区域两侧的蛋白质序列在决定最终结构方面起着重要作用，而且在大脑中重现TDP-43聚集物的特性需要与全长蛋白质一起工作。这对于确保我们在实验室开发的药物、抗体和显像剂有更高的机会参与患者大脑中与疾病相关的TDP-43聚集体至关重要。”

研究人员表明，他们可以生产出与患者大脑原纤维具有相同核心序列的TDP-43原纤维。Hilal Lashuel说:“但我们仍然需要确定未被掩盖的原纤维核心是否具有相同的结构。如果我们证明了这一点，那么我们将拥有唯一一个允许在试管中产生实际病理的系统。这将对了解疾病相关突变和蛋白质修饰如何影响TDP-43聚集具有重大意义，并将促进开发阻断TDP-43聚集、中和其致病性或与TDP-43聚集结合并促进其在大脑中的检测的新药。”