1901年，德國醫生Alois Alzheimer接診了一位51歲的老婦人。她患有嚴重的記憶障礙，講話困難並且難以理解別人話，對時間與地點也毫無概念。Alzheimer醫生意識到這是一種前所未知的疾病。在病人去世後，Alzheimer醫生對其進行屍檢，驚奇地發現患者的大腦中有許多澱粉樣蛋白斑和神經纖維纏結。
這就是人類至今仍束手無策的神經退行性疾病——阿爾茨海默症（Alzheimer disease，AD）最主要的兩大病理特徵：錯誤摺疊的β-澱粉樣蛋白（Aβ）在大腦中沉積形成的澱粉樣蛋白斑塊和Tau蛋白過度磷酸化導致的神經纖維纏結。一個世紀後，科學家們終於確認了這兩種AD生物標誌物的高清結構。今年7月5日， MRC Laboratory of Molecular Biology的研究人員曾在Nature上通過冷凍電鏡（cryo-EM）揭示了Tau蛋白的高分辨率蛋白結構。兩個月後，德國和荷蘭的一組研究人員同樣利用冷凍電鏡確定了另一種AD相關蛋白——Aβ的高清結構。這一發現再次為AD藥物的研發帶來了新的希望。
Aβ的高清結構
在這項發表於9月7日Science期刊上的研究中，來自德國尤里希研究所、杜塞爾多夫大學和馬斯特裡赫特大學等機構的科學家們闡明瞭Aβ原子層面的三維結構：許多單個Aβ層層交錯排列成所謂的原絲（protofilaments）。兩個原絲相互纏繞，形成一個原纖維（fibril）。如果幾個這樣的原纖維纏結在一起，那麼這就形成了在AD患者腦組織中的典型沉積或斑塊。這些結構細節可以解答許多關於有害沉積物生長方面的問題，同時也解釋了遺傳風險因素的影響。
兩個原絲組成一個原纖維。圖片來源：Science
“在對澱粉樣蛋白結構和相關疾病的基礎理解上，這是一個里程碑，”該研究的通訊作者Dieter Willbold教授解釋道，“原纖維的結構解答了許多和纖維生長機制有關的問題，並確定了一系列導致早發AD的家族基因突變的作用。”
這個高清結構的分辨率達4 Å，即0.4納米，屬於原子半徑和原子鍵長度的量級。與之前的研究相比，該模型首次展示了蛋白質的確切位置和相互作用。纏繞的原絲中的Aβ分子並沒有在同一水平，而是像拉鍊一樣交錯間隔。此外，結構首次闡明多個Aβ蛋白質分子中全部的42個氨基酸殘基的位置和構象。
Aβ原纖維結構細節。圖片來源：Science
這一新穎、詳細的結構為理解一些增加患病風險的基因修飾的結構效應提供了新的基礎。它們通過改變某些位點的蛋白質的模板來穩定原纖維。這也解釋了為什麼在自然界中，小鼠並不會患上阿爾茨海默氏症，為何一些人群對改變的易感性存在差異。
多種方法的綜合應用
與100多年前Alois Alzheimer醫生髮現的蛋白斑不同，新研究揭示的原纖維結構無法通過光學顯微鏡觀察——而是利用低溫電子顯微鏡技術。科學家們在馬斯特裡赫特大學花了一年多的時間來分析冷凍電鏡的數據。此外，使用固態核磁共振（NMR）光譜學和x射線衍射也有助於進一步補充和支持原纖維結構的圖像，並驗證所獲得的數據。
“低溫電子顯微鏡下的單個圖像通常噪聲很大，因為蛋白質對電子輻射非常敏感，這些圖像只能在非常低的輻射強度下產生。”研究人員解釋道。他們使用計算機輔助程序，將數千張不同的圖像結合起來，從中提取出高分辨率的結構數據。
圖片來源：Science
“如果樣本是異質的，也就是說由不同的結構的原纖維組成，那麼這是一個非常複雜的步驟。這是過去澱粉樣蛋白的常見情況，也是分析的主要障礙之一。然而，我們現在有非常均一的原纖維樣品——90%的原纖維都具有相同的形狀和對稱性。”研究通訊作者之一Schroder說。
來自尤里希研究所的Lothar Gremer博士成功地生成了原纖維樣本。“其中關鍵的一步是大大延遲樣本中原纖維的生長速度——從幾小時到幾周。因而每個Aβ分子有足夠的時間以一種統一和高度有序的方式排列成均一的原纖維。”Gremer補充道。
固體核磁共振波譜學的研究提供了額外的數據來建立模型並幫助驗證結構。“NMR使我們能夠獲得更多的信息，比如哪個氨基酸殘基形成了鹽橋，從而提高了原纖維的穩定性，” 研究人員之一Henrike Heise教授解釋道。由漢堡結構系統生物學中心的Jorg Labahn教授主持的x射線衍射實驗進一步證實了這一結果。
參考資料：
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