2019年11月17日訊/
生物谷BIOON/---阿爾茨海默病（AD）是一種進行性神經退行性疾病，其特徵在於Aβ澱粉樣蛋白原纖維（也稱為Aβ原纖維）和tau蛋白衍生性的神經原纖維纏結物在神經元中沉積。一些觀察結果表明Aβ肽對於觸發疾病發作至關重要。Aβ前體蛋白（APP）編碼基因的異常重複，以及APP基因或參與
app加工的酶編碼基因發生的突變可導致阿爾茨海默病。Aβ肽及其相關原纖維形成的實質斑塊和血管澱粉樣蛋白沉積物可導致腦澱粉樣血管病（cerebral amyloid angiopathy, CAA）。Aβ沉積物可包含Aβ肽的不同一級結構變體。人們已對40和42個胺基酸殘基的Aβ肽變體Aβ（1-40）和Aβ（1-42）進行了極其深入的研究。雖然Aβ（1-42）肽被認為是通過形成有毒的原纖維
中間體而致病的，但是Aβ（1-40）會形成原纖維沉積物，從而對腦血管壁造成損傷。
當前關於Aβ肽的許多知識源自對Aβ原纖維和其他聚集物的分析，這些聚集物是由體外化學合成或重組表達的Aβ肽形成的。這些源自試管的Aβ聚集物通常富含β-摺疊層。Aβ原纖維具有交叉β結構和對剛果紅的親和力，類似於從患者組織中純化的澱澱粉樣蛋白原纖維。體外形成的Aβ原纖維具有高度多態性，並且在由不同的Aβ肽變體形成的或在不同的原纖維形成條件下形成的不同原纖維形態中發現了一系列不同的肽構象。然而，到目前為止，尚不清楚這些結構中的哪些或這些結構中的任何一種是否正確反映了大腦內部的Aβ肽致病性結構。
在一項新的研究中，來自德國烏爾姆大學和圖賓根大學等研究機構的研究人員分析了來自AD大腦組織的Aβ澱粉樣蛋白纖維的結構形態。他們發現腦源性Aβ原纖維由多種原纖維形態組成。在原纖維形態I的情況下，他們獲得了確定Aβ肽摺疊的結構模型：根據兩個相同的肽堆棧（peptide stack）的存在、右旋原纖維、假2
1螺旋對稱性和原纖維極性，對原纖維進行分層組裝。相關研究結果近期發表在Nature Communications期刊上，論文標題為「Cryo-EM structure and polymorphism of Aβ amyloid fibrils purified from Alzheimer’s brain tissue」。
圖片來自Nature Communications, 2019, doi:10.1038/s41467-019-12683-8。
這種模型的穩健性通過它與得到實驗驗證的二維類平均值（2D class averages）和功率譜（power spectra）的對應關係、與三維圖譜相比時的傅立葉殼層關聯（Fourier shell correlation, FSC）值4.5和如實反映腦源性原纖維的右旋拓撲結構的Ψ/Φ角分布得到證實。然而，這種模型在多肽主鏈和胺基酸側鏈的詳細幾何形狀方面仍存在不確定性。這項研究中觀察到的C形肽摺疊是新穎的，不同於先前對體外形成的Aβ結構的描述。這種原纖維結構的獨特特徵是N末端弓形結構和胺基酸殘基24-26處於中心位置，這不同於先前描述的Aβ原纖維：胺基酸殘基30-42形成最中心的結構元素。
形態I中的Aβ肽摺疊與在原纖維形態II和III時獲得的三維圖譜非常吻合。儘管後面兩種形態下的三維圖譜具有比形態I更低的解析度，但是很明顯，在這所有三種原纖維形態中，一般的原纖維結構都是保守的，並且它們的主要區別是原纖維的數量。這三種原纖維形態佔這項研究中使用的樣品中可見原纖維的大部分，這表明這種描述的結構代表了來自患者大腦的Aβ澱粉樣原纖維。在這項研究中分析的所有三名AD患者的原纖維提取物中一致地發現了這三種原纖維形態。不過，不能排除其他Aβ原纖維形態也可能存在於大腦中，比如在受某些Aβ肽變體影響的患者大腦中。
人們已在Aβ肽序列中發現14種突變。據報導，其中的十二種突變可促進AD和/或CAA，而Ala2Thr突變具有保護性，His6Arg突變具有不確定的相關性。通過對應到這項研究描述的結構上，大多數突變都沒有明顯的穩定或不穩定作用。該觀察結果與
細胞生物學研究一致，後者表明它們可能會影響Aβ肽的蛋白水解生成。或者，某些突變可能只是在整體上簡單地促進聚集而不是針對於特定的原纖維形態。只有三種突變會誘導或去除接觸，它們可能會破壞這種結構的穩定性：Glu11Lys和Lys16Asn破壞了N末端弓形結構內的鹽橋，而Leu34Val除去了C末端弓形結構內的亞甲基。然而，前兩種突變被描述為對Aβ的蛋白水解過程起作用，而後一種突變促進而不是阻止CAA。
這項研究觀察到的腦源性原纖維的一個特別有趣的結構特徵是它們是右旋的。這種性質強烈不同於先前描述的體外形成的Aβ（1–40）和Aβ（1–42）原纖維的左旋，而且更明顯的是，也顯著不同於對反向扭曲的β-摺疊片表現出強烈偏愛性的球形蛋白質結構。這項新的研究發現了第二種與體內右旋澱粉樣蛋白原纖維相關的人致病性原纖維蛋白。第一種是人類系統性AA澱粉樣變性病中常見的血清澱粉樣蛋白A（serum amyloid A protein）變體。儘管這種右旋的分子起源尚待確定，但是Aβ和AA澱粉樣蛋白原纖維的拉馬錢德蘭圖（Ramachandran plot）中的Ψ/Φ對分布暗示著原纖維蛋白的摺疊誘導了右旋。與這種觀點相一致的是，這項研究中描述的Aβ摺疊與先前描述的左旋Aβ原纖維中觀察到的Aβ肽摺疊基本不同。
這些發現強調了在研究疾病的結構基礎時，使用源自患者的澱粉樣蛋白原纖維的重要性。在此之前，針對其他幾種原纖維蛋白的研究也得出了類似的結論：它們在體外產生的原纖維結構在形態上不同於它們在人體中的致病性形式。然而，體外形成的原纖維一定與患者體內的原纖維不同可能是一個過早的結論。相反，這些作者得出結論，在這些特定情況下觀察到的差異反映了體外使用的原纖維形成條件與體內的原纖維形成條件不完全匹配。結果就是它們導致不同的原纖維形態，這與澱粉樣蛋白結構由宿主和特定錯誤摺疊蛋白決定的觀點相一致。
連同近期的一些研究，這項新研究的數據支持疾病病理學起源於特定原纖維形態或原纖維蛋白構象的概念。首先，儘管通過先前的體外Aβ原纖維化研究已明確確定Aβ肽能夠採用多種形態學上不同的原纖維結構，但是這項新的研究表明疾病病理學是僅與某些結構上相關的原纖維形態相關。這些原纖維形態在呈現相同神經病理學特性的患者的原纖維提取物中始終存在。對於其他原纖維系統，包括人類ATTR和AA澱粉樣變性以及tau依賴性神經病理學，也已有類似的觀察報導。即便受到全身性AA澱粉樣變性影響的不同小鼠也具有一致的原纖維形態。
其次，近期對小鼠AA澱粉樣蛋白原纖維的低溫電鏡（cryo-EM）結構提供了證據表明某些小鼠品系對系統性AA澱粉樣變性的抵抗性不是由血清澱粉樣蛋白A蛋白變體無法形成交叉β原纖維引起的，而是由它們與病理相關的原纖維形態不兼容。
第三，疾病的不同變型可以與不同的原纖維形態相關。這樣的例子有
遺傳性ATTR澱粉樣變性中的A型和B型澱粉樣蛋白原纖維，系統性AA澱粉樣變性中的「常見」變型和「血管」變型中的不同原纖維，或者不同形式的神經變性中不同的tau原纖維形態。
這些觀察的結果是，用適當的選擇性抑制劑靶向特定的原纖維形態可能是幹擾疾病過程的一種有吸引力的策略。這項新的研究提供了關於Aβ的精緻結構信息。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：Marius Kollmer et al. Cryo-EM structure and polymorphism of Aβ amyloid fibrils purified from Alzheimer’s brain tissue. Nature Communications, 2019, doi:10.1038/s41467-019-12683-8.