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Surprise!在神经退行性疾病中发现 TMEM106b 原纤维

2022-05-10 05:21:03

2022年4月,David Eisenberg 教授领导的团队从死于 TDP-43 病理学额颞叶变性的供体大脑中提取了大量的原纤维来研究人脑中 TDP-43 原纤维的结构时,发现了一种完全不同的原纤维。结果显示,这些原纤维不是由TDP-43制成的,而是TMEM106b,一种与FTD有已知遗传联系的溶酶体蛋白。

在三月份发表的三篇论文中,研究人员介绍了TMEM106b原丝的低温电子显微镜结构。原丝核心由跨膜蛋白的一个135个残基的C端片段组成——一个通常悬挂在溶酶体腔中的结构域,扭曲成下面这种形状(如下图所示)需要将结构域从溶酶体膜上脱落。各项报告的结构细节均有所不同,但都有一个共同点:都是由17-19股β链组成的曲折片段,它们缠绕成由一个或两个原纤维组成的原纤维。

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TMEM106b 细丝的横截面,显示一个(左)或两个(右)具有相同折叠的原丝。 [Courtesy of Schweighauser et al., Nature, 2022.]

研究人员指出,这项发现带来诸多问题,其中首要的是,目前TMEM106b原纤维已在多种神经退行性疾病中发现(如下图),那么它在神经退行性疾病中究竟有何影响呢?

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跨蛋白质病的 TMEM106b。 TMEM106b的原纤维在蛋白质的管腔部分裂解后形成。原纤维见于多种蛋白质病; 一项研究甚至在健康的老年人中发现了它们。[Courtesy of Chang et al., Cell, 2022.]

由于Eisenberg教授及其同事之前一直侧重于TDP-43原纤维研究,他们于3月28日在《Nature》杂志上发表的研究报告最初仅限于来自 FTLD-TDP患者的脑样本。Yijiang教授及其同事发现他们分离出的是 TMEM106b 而不是 TDP-43后,团队就开始对四个脑样本进行详细的结构分析,每个样本都具有不同的病理学形态特征。

研究人员确定了 TMEM106b 原纤维的三种超微结构多晶型物,它们都具有相同的核心原丝折叠。多晶型物 1代表了样品中约 80% 的原纤维由一根原丝组成。具有不同对称性的两条原丝构成了另外两个多晶型物。共同核心由 TMEM106b 的 120-254 位残基组成,片段的 N 末端位于折叠中心深处。

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“高尔夫球场折叠”中,TMEM106b的C端排列成18条β链,片段的N端位于折叠中心深处(左)。 这些原丝相互堆叠(右)。 [Courtesy of Jiang et al., Nature, 2022.]

在18股折叠的过程中,碎片缠绕在自身周围,原丝核心的C端与N端相遇。研究人员将折叠比作一个18洞的高尔夫球场。 他们写道,这 18 条β链的长度(从3到15个残基)和曲率各不相同,球道也是。此外,N 端和 C 端彼此靠近,就像高尔夫球场的第 1 洞和第 18 洞在俱乐部会所附近相邻(如上图)。

根据淀粉样蛋白原纤维结构的研究成果,18 个β链已高于原丝核心的标准。Aβ、tau、TDP-43 和α-突触核蛋白原纤维分别包含 5、8、10和12条链。研究人员称,18 条β链与多个立体拉链紧密融合在一起,使平均原纤维的稳定性增加了三倍。这表明,TMEM106b 原纤维一旦形成,就不容易被分解。

研究人员在任何脑样本中均未检测到由 TDP-43 组成的原纤维,却在样品中发现了RNA结合蛋白的无定形聚集体。他们得出结论,TDP-43 聚集体主要以非原纤维形式存在,而 TMEM106b 是 FTLD-TDP 患者脑样本中的主要原纤维。

后一个结论与剑桥MRC的Benjamin Ryskeldi-Falcon最近领导的一项研究结果不一致。去年,Falcon 报道了从死于 FTD-ALS 的人的运动和额叶皮质中提取到 TDP-43 原纤维的双螺旋折叠。

那么Eisenberg 教授研究的样本中这些 TDP-43 原纤维在哪里呢? Eisenberg教授解释,这种差异可能归结为供体的不同神经病理学状况。 Falcon教授并不同意这个观点,他指出在两种神经系统疾病中,TDP-43 内含物都聚集在额叶皮层,这个区域Eisenberg 教授并没有检测。另外,两组之间原纤维分离程序存在明显差异,Falcon小组使用超速离心来沉淀原纤维,而Eisenberg小组使用台式离心机。 Falcon 认为,更快的旋转,加上更温和的洗涤剂,是分离出 TDP-43 原纤维的关键,TDP-43 原纤维没有TMEM106b原纤维稳定和密集。

无论TDP-43原纤维是否存在,Falcon、Goedert、Scheres 及其同事表示,一年多前,他们注意到一种神秘的原纤维潜伏在多种蛋白质病的大脑样本中。Scheres 教授称,神秘原纤维的广泛糖基化模式暴露了它的身份,因为已知 TMEM106b 是高度糖基化的。从原纤维的低温EM结构中破译的氨基酸序列也证实它们是由TMEM106b的 120-254 位残基构成。

Fitzpatrick及其同事于3月4日在Cell上发表了一篇论文。论文表明,他们使用冷冻电镜和质谱法分析从 11 名患有不同神经退行性疾病的人的大脑中分离出的 TMEM106b 原纤维的结构 ,包括 FTLD-TDP 8 人,非典型帕金森综合征 2 人,DLB 1 人。结果表明,对照组中并没有检测到由TMEM106b的120-254位残基组成原纤维,也没有在他们检查的PS或DLB病例中发现它们。相比之下,FTD-TDP病例中都有原纤维,包括一名50多岁死亡的人。

与其他小组的报告相似,Chang 发现,在双线原纤维中,两条原丝以双重对称的方式排列,并通过一种与K178和R180的侧链混合的非蛋白质阴离子辅因子结合。该辅因子还与单线态原纤维中的 K178 相关。研究人员推测,它与其他翻译后修饰(如糖基化)一起,可以促进原纤维的形成。溶酶体的酸性环境也可能与 TMEM106b 被蛋白酶切割后的原纤维化有关。但就目前而言,它的身份不明。

Fitzpatrick 实验室的研究人员使用特异于 TMEM106b C 端的多克隆抗体通过免疫印迹探测他们的大脑样本,检测到与 TMEM106b 单体以及高阶寡聚体相对应的条带。他们发现这些寡聚形式在死于神经退行性疾病的人的脑样本中比在对照组的样本中更丰富。这个发现证明了 TMEM106b 原纤维化不仅仅是一种与年龄相关的现象,它在神经退行性疾病中起一定作用。

康涅狄格州纽黑文的耶鲁大学在《自然》杂志的一篇随附社论中称:鉴于神经退行性疾病的患病风险随着年龄的增长而增加,而TMEM106b原纤维会随着年龄的增长而积累,那么TMEM106b原纤维的存在可能会增强由其他因素和蛋白质聚集体驱动的神经变性机制。

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TMEM106b 的裂解及其随后的原纤维化可能是由溶酶体功能障碍引起的,然后情况加剧。 渗漏后,原纤维可能在溶酶体内部或外部形成,甚至可能促进其他蛋白质的聚集[Courtesy of Chang et al., Cell, 2022.]

研究人员一致认为,TMEM106b 的蛋白水解切割是导致其原纤维化的关键因素。是什么决定了这种切割以及该蛋白酶的身份,目前仍未可知。Fitzpatrick等人认为,有可能溶酶体压力源(包括年龄甚至颗粒蛋白前体水平的降低)可能会导致TMEM106b裂解和纤维化。TMEM106b原纤维的积累可能会产生诸多下游效应,使溶酶体功能恶化,并促进可疑个体中其他蛋白质的聚集,包括 TDP-43、tau 和 α-突触核蛋白。 此外,TMEM106b 的纤维化会损害 TMEM106b 本身的功能,进一步加重溶酶体的负担(如上图)。

列克星敦肯塔基大学的Peter Nelson认为TMEM106b原纤维与 TDP-43的内含物相似,不太可能是良性的。也许 TMEM106b 聚集在 FTD、LATE 和其他神经退行性蛋白病所表现的巨大临床和病理变化中发挥了作用。

奥兰治堡纽约大学的Ralph Nixon也指出,最近的研究表明,TMEM106b 与溶酶体 vATP 酶结合,引发溶酶体 pH 值升高,从而导致细胞出现问题。

圣路易斯华盛顿大学的 David Holtzman 也怀疑 TMEM106B 原纤维在某种程度上是有毒的。结合以前的数据表明,由于颗粒蛋白前体突变,TMEM106b的多态性会增加 FTLD-TDP-43 的风险,TMEM106b 聚集成淀粉样蛋白构象不仅与 FTLD-TDP 的发病机制直接相关,还有导致其他淀粉样蛋白的疾病。

这些重要的发现将引发更多新的研究,以了解是什么促使 TMEM106b 聚集,在动物和细胞模型中的后果是什么,以及如何防止其聚集。也许基于TMEM106b,神经退行性疾病的研究将更快有所突破。

 

宁波易赛腾生物科技有限公司   李福云编译

原文链接:

Surprise! TMEM106b Fibrils Found in Neurodegenerative Diseases | ALZFORUM

https://www.alzforum.org/news/research-news/surprise-tmem106b-fibrils-found-neurodegenerative-diseases


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