تم الكشف عن الأشكال المتعددة المتميزة هيكليًا لمجموعات تاو بواسطة التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء النانوية

خلاصة

يلعب تجمع بروتين تاو دورًا رئيسيًا في العديد من الأمراض العصبية التنكسية المعروفة مجتمعة باسم اعتلالات تاووباثيس ، بما في ذلك مرض الزهايمر ومرض باركنسون. يخطئ Tau في هياكل صفائح بيتا الليفية التي تشكل الخيوط الحلزونية المقترنة الموجودة في التشابك الليفي العصبي. من المعروف أنه يمكن أن يكون هناك تغايرات هيكلية كبيرة في مجاميع تاو مرتبطة بأمراض مختلفة.

ومع ذلك ، بينما تمت دراسة هياكل الألياف الناضجة ، فإن التوزيعات الهيكلية في مجاميع tau في المرحلة المبكرة ليست مفهومة جيدًا. في هذه الدراسة ، نستخدم AFM-IR للتحقيق في أطياف النانو لألياف تاو الفردية في مراحل مختلفة من التجميع وإثبات وجود العديد من الأشكال الليفية التي تظهر هياكل ثانوية مختلفة. نوضح كذلك أن الألياف الناضجة تحتوي على كميات كبيرة من صفائح بيتا المضادة للتوازي. نتائجنا هي أول تطبيق للتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء على نطاق نانوي لتجمعات تاو وتؤكد على الوعد بتحليل طيفي بالأشعة تحت الحمراء مكانيًا لفحص تراكم البروتين.

مرض الزهايمر هو مرض تنكسي عصبي ينتشر بشكل كبير ، وتتمثل سماته المرضية الرئيسية في الفقد الشديد للخلايا العصبية والمشابك وتراكم -amyloid (-amyloid) وبروتين Tau (وهو بروتين مرتبط بالأنابيب الدقيقة) في الدماغ. تشكل هذه البروتينات هياكل ليفية ناضجة أثناء تطور المرض ، ويمكن أن تؤدي ألياف البروتين في هذا الهيكل إلى موت الخلايا العصبية وتدهور الإدراك. تلعب الألياف الناضجة دورًا أكثر شدة في تكوين المرض من بروتينات أميلويد وتاو. وذلك لأن تكوين الألياف الناضجة هو النقطة النهائية للآلية المسببة للأمراض ، مما يؤدي إلى تفاقم فقدان الخلايا العصبية والمشابك أثناء تقدم المرض ويسرع من تطور المرض. لذلك ، من أجل البحث والتطوير في علاج مرض الزهايمر ، أصبح البحث واستكشاف الألياف الناضجة أيضًا نقطة ساخنة للبحث. وجدنا في بحثنا أن Cistanche فعال في علاج مرض الزهايمر. يحتوي Cistanche على كمية كبيرة من الأنثوسيانين والفلافونويد ، والتي لها تأثير قوي مضاد للأكسدة. يمكن أن تساعد هذه المكونات في تقليل إنتاج الجذور الحرة وحماية خلايا الدماغ من الأكسدة ، وبالتالي تقليل إمكانية التنكس العصبي.

انقر فوق الملحق cistanche deserticola

الكلمات الدالة

تاو. تجميع؛ مرض الزهايمر؛ AFM-IR ؛ مطيافية الأشعة تحت الحمراء النانوية. AFM. هيكل ليفي صفائح بيتا المضادة.

يعد اختلال تكوين بروتينات تاو وتجميعها في مجاميع ليفية السمة المرضية للعديد من الأمراض التنكسية العصبية التي تسمى اعتلالات تاووباثيا ، بما في ذلك مرض الزهايمر ومرض باركنسون 1-5. Tau هو بروتين مرتبط بالأنابيب الدقيقة (MT) يتحول إلى رواسب خلوية غير قابلة للذوبان تسمى Neurofibrillary Tangles (NFTs) 1-2 ، 5-6.

بينما أشارت الدلائل المبكرة إلى السمية العصبية المحتملة لـ NFTs ، يُعتقد الآن أن التجمعات قليلة القسيمات قبل اللُّبَيْن هي الأنواع الرئيسية السامة للأعصاب 3 ، 5-6. قد يوفر توضيح مسارات معينة لرجفان تاو رؤى حول آليات المرض ويكشف عن الأهداف العلاجية المحتملة لاكتشاف الأدوية. بُذلت جهود كبيرة لفهم تجميع tau ودور العوامل المختلفة التي تعدل التجميع 1-2 ، 7-18. كما تم فحص دور بروتينات الأميلويد الأخرى ، على سبيل المثال ، أميلويد بيتا في تغيير شكل تاو 19-21. من المعروف أن خيوط تاو في NFTs لها بنية بيتا متصالبة تشبه لويحات الأميلويد. ومع ذلك ، فإن التفسير الشامل للتطور الهيكلي لـ tau الذي ينتج عنه تكوين ليفي لا يزال يمثل تحديًا.

في الدماغ البشري ، تم تحديد ستة أشكال إسوية مختلفة من تاو والتي تختلف فيما يتعلق بعدد بقايا الأحماض الأمينية 2 ، 5 ، 22. يمكن أن يختلف الشكل الإسوي السائد والبنية الليفية باختلاف المرض. المرونة. ومن ثم فقد تم تركيز قدر كبير من الاهتمام البحثي على الببتيدات القصيرة التي تمثل مجالات ربط الأنابيب الدقيقة ، والتي تعتبر بالغة الأهمية لتجميع تاو 23-25 بدلاً من البروتينات كاملة الطول. علاوة على ذلك ، يُظهر تاو وأشكاله الإسوية تعدد الأشكال: يتجمع الببتيد نفسه بشكل أساسي في هياكل ليفية مختلفة ، تختلف ليس فقط فيما يتعلق بالمورفولوجيا ولكن أيضًا فيما يتعلق بالترتيب الجزيئي 8-9 ، 26-27. جميع العوامل المذكورة أعلاه تجعل العزل والتحليل الهيكلي لمجموعات تاو المحددة التي تشكلت في مراحل مختلفة من التجميع مهمة صعبة. إن طبيعة تراكم الأميلويد بشكل عام هو أنه يولد عددًا كبيرًا من الأنواع المجمعة التي تكون عابرة ومتوازنة مع بعضها البعض. تم مؤخرًا تطبيق cryo-EM بنجاح لحل الهياكل الليفية تاو ؛ ومع ذلك ، تظل تطبيقاته مقصورة على الألياف الناضجة أساسًا والتي هي نقطة نهاية التجميع ، وليست وسيطة 9-10.

على وجه الخصوص ، لم يتم فهم الجوانب الهيكلية لوسطاء تاو في المراحل المبكرة جيدًا. المعيار الذهبي لتحديد البنية الثانوية للتجمعات الشبيهة بالأميلويد ، بشكل عام ، هي تقنيات التحليل الطيفي مثل الرنين المغناطيسي النووي للحالة الصلبة (ssNMR) و Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) 15 ، 28-31. ومع ذلك ، لا يمكن لأي من هذه التقنيات توفير الدقة المكانية على مقياس المجاميع الفردية ، وبدون الاستبانة المكانية ، من الصعب إسناد السمات الطيفية بشكل لا لبس فيه إلى مجاميع أو أشكال محددة أو تحديد الأنواع العابرة التي تتطور إلى شكل معين. بشكل أساسي ، لا يمكن تحديد ما إذا كانت الميزات الطيفية الملحوظة تنشأ من حالة تجميع معينة أو مزيج إحصائي من مطابقة مختلفة.

نتيجة لذلك ، لا يُعرف سوى الهياكل المتوسطة للأوليغومرات والألياف ، والتغيرات الهيكلية غير المتجانسة داخل كل حالة ، إن وجدت ، ليست مفهومة جيدًا. لتعزيز معرفتنا بتجميع تاو وبروتينات الأميلويدوجينيك الأخرى في ظل ظروف مختلفة ، من الضروري فهم بنية كل عضو في المجموعة المطابقة في مراحل مختلفة من التجميع. شهد العقد الماضي تطوير مناهج جديدة لتحسين الدقة المكانية للتحليل الطيفي الاهتزازي التي تجمع بين التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء مع AFM لتحقيق دقة مقياس نانومتر.

يستفيد أحد الأساليب الحديثة المستندة إلى AFM من الرنين المستحث بالحرارة الضوئية (PTIR) ، حيث يتم استشعار التمدد الحراري المحلي الناتج عن امتصاص الأشعة تحت الحمراء بواسطة عينة بواسطة طرف AFM 32-35. وبالتالي يتجاوز AFM-IR حدود الدقة في الفحص المجهري للأشعة تحت الحمراء التقليدية باستخدام طرف مسبار AFM لقياس امتصاص الأشعة تحت الحمراء. يؤدي امتصاص الإشعاع من خلال الإثارة الرنانة لوضع الأشعة تحت الحمراء إلى تمدد حراري للعينة ، مما ينتج عنه قوة اندفاعية على ناتئ AFM. تتناسب استجابة مسبار AFM الناتجة مع امتصاص الأشعة تحت الحمراء ، ومسح الطول الموجي ينتج عنه طيف امتصاص للأشعة تحت الحمراء يتوافق مع منطقة نانوية للعينة (الشكل 1).

وبالتالي ، على عكس التقنيات البصرية التقليدية ، يمكن لـ AFM-IR فحص الهياكل النانوية بتفاصيل كيميائية غير مسبوقة وتجمع بين أفضل ما في العالمين: الدقة المكانية لـ AFM والدقة الكيميائية للأشعة تحت الحمراء. بينما تم استخدام AFM-IR لدراسة مجاميع الببتيدات اميلويدوجينيك مثل بيتا اميلويد وألفا سينوكلين 35-38 ، لم يتم تطبيقها أبدًا لدراسة تراكم تاو. في هذه الدراسة ، نستفيد من إمكانات AFM-IR ونفحص ألياف أيزومر تاو -441 في مراحل مختلفة من التجميع لإظهار أنه في المراحل المبكرة من التجميع ، يوجد تباين كبير في البنية الليفية حتى بدون أي اختلافات كبيرة في علم التشكل. تظهر نتائجنا لأول مرة أنه يمكن أن تكون هناك اختلافات أساسية في البنية الثانوية للألياف التي تظهر نفس التشكل. لوحظ تعدد الأشكال الليفية المتميزة هيكليًا ؛ واحد أكثر ترتيبًا هيكليًا من الآخرين ، وهو أيضًا عابر ولا يوجد في الألياف الناضجة. علاوة على ذلك ، نوضح أيضًا أن ألياف tau يمكن أن تحتوي على صفائح بيتا مضادة للتوازي ، والتي لا ترتبط عادةً بالتشكيلات الليفية.

لفهم التطور البنيوي للألياف بمرور الوقت ، قمنا بفحص الألياف في نقاط زمنية مختلفة للتجميع ، أي بعد 3 و 5 و 1 0 و 15 يومًا من التجميع. لكل قياس ، ترسبت قسامات على ركائز من الذهب وتجفف تحت النيتروجين. تظهر الصور الطبوغرافية AFM لألياف تاو بعد 3 أيام من الحضانة عند 37 درجة في الشكل 2. ويبين الشكل 2A مجموعة ليفية تمثيلية. يتم عرض المزيد من صور AFM للألياف الفردية في جميع مراحل التجميع المختلفة في الشكل S 1- S5. للحصول على توزيع الارتفاع الكلي للألياف في العينة ، تم قياس قيم ارتفاع الألياف الفردية ورسمها كرسم بياني (الشكل 2 ب). تم تزويد البيانات باستخدام Gaussian لتحديد متوسط ​​قيمة الارتفاع البالغ 6.3 ± 0. 7 نانومتر. يتم عرض صور AFM لألياف اليوم 5- وتحليل الارتفاع المقابل في الشكل 2C-D. يتم ملاحظة الألياف الفردية جنبًا إلى جنب مع مجموعات الألياف. يبلغ ارتفاع الألياف 6.5 ± 0.9 نانومتر ويظل قريبًا من عينة ليفي اليوم 3-.

بعد ذلك ، تم فحص ليفات تاو مع حضانة يوم واحد (0}} (الشكل 2E-F). لوحظ وجود ألياف فردية على سطح الذهب (الشكل 2E). متوسط ​​ارتفاع ليفية 10- اليوم هو 7.2 ± 1.0 نانومتر. تظهر ألياف تاو الناضجة ، التي تم إنشاؤها بعد 15 يومًا من التجميع ، في الشكل 2G. ليفية اليوم 15- طويلة ومتشابكة مع بعضها البعض مما يؤدي إلى تكوين شكل يشبه الشبكة. في هذه المرحلة من التجميع ، لم تعد الألياف المنفصلة مرئية. يبلغ متوسط ​​ارتفاع الألياف 42.5 ± 40.5 نانومتر (الشكل 2H) وهو أعلى بكثير مقارنة بالألياف الأخرى التي تم إنشاؤها في نقاط زمنية سابقة. يشير التوزيع الواسع لارتفاع الألياف إلى أن الألياف الناضجة لها قيم ارتفاع مختلفة ، على عكس التوزيع الضيق للألياف السابقة. تتوافق الهياكل الليفية التي تمت ملاحظتها هنا مع تقارير AFM السابقة لتجميع تاو 11 ، 39-40. ملاحظة مهمة أخرى من قياسات AFM هي أن ألياف تاو المتولدة في المحلول متجانسة في مورفولوجيتها.

إنها مستقيمة ، وتفتقر إلى أي نوع من التطابقات المتفرعة أو الملتوية ، مع تغيرات طفيفة في الارتفاع داخل ليف واحد. مع نضج ليفي ، نرى زيادة في ارتفاع ليفي ، ولكن لا تتطور أشكال جديدة. يمكن تصور ذلك في الشكل S5 ، حيث يتم عرض 3- اليوم و 10- أشكال الألياف الليفية في خريطة ألوان قوس قزح ، مما يدل على حدوث تغييرات طفيفة في الارتفاع داخل ليف واحد. في حين أن الألياف لا تظهر أي اختلافات شكلية كبيرة ، فإن أطياف الأشعة تحت الحمراء النانوية للألياف تحتوي على اختلافات كبيرة.

على وجه التحديد ، بالنسبة لليفات اليوم 3- ، نلاحظ ثلاثة أشكال ليفية مختلفة بأطياف مميزة. بالنسبة إلى 5- يوم و 10- يوم و 15- يوم من الألياف الناضجة ، نلاحظ تشابهًا واحدًا فقط. نلاحظ أنه عادةً ما يتم استخدام تعدد الأشكال للدلالة على الألياف الليفية المتميزة شكليًا والتي يمكن أن تكون مختلفة أيضًا فيما يتعلق بالتركيب الجزيئي 2 ، 26 ؛ في حالتنا ، يكون التشكل ثابتًا ، ولكن يمكن تصنيف الألياف إلى ثلاثة أنواع فرعية متميزة بناءً على أطيافها. من أجل الوضوح ، نشير إلى هذه الهياكل / الأشكال المتعددة مثل النوع 1 والنوع 2 والنوع 3 على التوالي لبقية هذه المقالة. أطياف الأشعة تحت الحمراء التمثيلية في نطاق أميد- I موضحة في الشكل 3. الأطياف هي متوسط ​​القياسات المتعددة التي يتم أخذها على طول طول الألياف. يتم توفير المزيد من الأطياف في المعلومات الداعمة (الشكل S6). يحتوي طيف 3- نوع الليف النهاري -1 على قمة بارزة عند 1628 سم -1 وكتف أصغر عند 1670 سم -1.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن رؤية شريط ضعيف عند 1740 سم تقريبًا -1. يختلف طيف نوع الليف -2 اختلافًا كبيرًا ويحتوي على نطاق أميد- I غير متماثل موسع يتمركز عند حوالي 1650 سم -1. لم تلاحظ شدة كبيرة فوق 1700 سم -1. بالنسبة لنوع الليف -3 ، نلاحظ وجود طيف أميد- I مشابه جدًا للنوع -2 ، مع استثناء رئيسي واحد: وجود نطاق بارز عند 1738 سم تقريبًا -1. من المثير للاهتمام ملاحظة أن أطياف الألياف ، باستثناء النوع -1 متعدد الأشكال ، لا يحتوي على ذروة حادة عند ترددات ورقة بيتا النموذجية تبلغ 1630 سم تقريبًا ، على الرغم من أن التكتلات الليفية معروفة بأنها بيتا موازية مسجلة أوراق. إن عرض الخط الأوسع الذي لوحظ للألياف من النوع 2 والنوع 3 ، بالإضافة إلى عدم وجود ذروة حادة عند ترددات ورقة بيتا ، يشير إلى وجود اضطراب هيكلي.

ومن المثير للاهتمام ، أننا لم نجد أي تباين كبير في الأطياف على طول ليف واحد (الشكل S5) ، مما يشير إلى أن الألياف عبارة عن هياكل محددة جيدًا ولديها اضطرابات هيكلية جوهرية. وتجدر الإشارة في هذا السياق إلى أن هناك اختلافات في الأطياف على طول الألياف ، ولا سيما ليفية نوع -3 كما يتضح من الانحراف المعياري الطيفي الأكبر (الشكل 3). ومع ذلك ، فإن الاختلاف الرئيسي بين الأنواع الفرعية الثلاثة للليف هو من حيث شدة العصابات عند 1628 سم -1 و 1738 سم -1. لا تؤثر الاختلافات المذكورة أعلاه على تصنيف الألياف إلى نوع فرعي واحد أو آخر.

لا تظهر الألياف الناضجة في اليوم 5- و 10- و 15- اليوم أي تباين طيفي ، ويلاحظ متعدد الأشكال واحد لكل حالة (الشكل 3). يتم إزاحة طيف الليف اليوم 5- بشكل طفيف (حوالي 6 سم -1) إلى أعداد موجية أعلى مقارنةً بالنوع 2 والنوع 3 من الألياف وأيضًا يُظهر زيادة في عرض الخط. الألياف الليفية الناضجة في اليوم 10- و 15- يومًا لها أطياف مشابهة لتلك الموجودة في الألياف من النوع 2 ، مع تحول الأخير إلى أعداد موجية أعلى بمقدار 4 سم -1 تقريبًا. يفتقر كل يوم 5- و 10- و 15- ليفية إلى ذروة مميزة فوق 1700 سم -1.

تتمثل الفكرة الرئيسية من أطياف الألياف في أنه خلال المراحل المبكرة من النضج ، يمكن أن يكون هناك عدم تجانس كبير في بنية الألياف ، وعند النضج ، تتطور الألياف إلى بنية واحدة. ومع ذلك ، من الصعب فهم التغييرات الهيكلية الأساسية بدقة من فحص الأطياف وحده. لذلك ، للحصول على مزيد من الأفكار حول الاختلافات الطيفية والهيكلية بين الأشكال المتعددة الملاحظة ، تم فصل الأطياف من خلال التركيب الطيفي. تحتوي أطياف البروتينات Amide I عادةً على مساهمات من بنى ثانوية مختلفة 41-42.

نظرًا لأن الهيكل الثانوي الذي يساهم في كل من الأطياف المرصودة غير معروف تمامًا مسبقًا ، فقد لجأنا إلى الأطياف المشتقة الثانية لتحديد عدد القمم (الشكل S8). يعد استخدام المشتق الثاني من البيانات الطيفية لتحديد القمم الأساسية ممارسة معروفة في التحليل الطيفي 43-44. استخدمنا عدد القمم في الأطياف المشتقة الثانية والترددات المقابلة لها كنقطة انطلاق للتركيب الطيفي. يتم عرض النتائج الملائمة للأطياف المتوسطة لليوم 3- و 5- اليوم و 10- اليوم و 15- الألياف الناضجة في الشكل 4 أ-ف. يوضح الشكل 4G-L النسبة المئوية لمساهمات القمم المجهزة في الأطياف الكلية. يتم تطبيع الأطياف إلى أقصى شدة ، ولكن هذا يقيس كل نطاق فرعي بالتساوي لطيف معين. ومن ثم فإن المجموعات السكانية النسبية للنطاقات ، كما هو موضح في الأشكال 4G-L ، لا تتأثر بالتطبيع. يتم توفير المعلمات الملائمة في الجدول الداعم 1.

بالنسبة لنوع -1 3- ليفية اليوم ، فإن ثلاثة نطاقات غاوسية تناسب كلا الطيفين بدقة عالية ، مع ترددات مركزية عند 1628 سم -1 ، و 1659 سم -1 ، و 1670 سم -1. يناسب نوع -2 3- طيف الليف اليوم خمسة نطاقات أساسية ، بترددات 1626 سم -1 ، 1642 سم -1 ، 1662 سم ​​-1 ، 1680 سم -1 ، 1694 سم -1. كما هو متوقع من التشابه الطيفي ، فإن النوع -3 يلائم نفس النطاقات الخمسة ولكنه يتطلب أيضًا ذروة إضافية عند 1736 سم -1. بتوسيع تحليل التفكك الطيفي الخاص بنا ليشمل أليافًا أكثر نضجًا ، نرى أن ألياف ليفات اليوم 5- و 10- اليوم و 15- اليوم تحتوي جميعها بشكل أساسي على نفس التوزيع للبنى الثانوية. يتطلب كل من 5- اليوم و 10- و 15- أطياف الليف اليوم ستة نطاقات للتركيب الأمثل ، حيث تتحول ذروة الموجات العالية إلى 1725 سم -1 تقريبًا ، والقمم الخمسة الأخرى هي مشابه لنوع -2 ليفية.

يمكن أن تُعزى ذروة 1626-1628 سم -1 في جميع النوبات إلى أوراق بيتا ، مما يشير إلى أن جميع الأشكال الليفية تحتوي على بنية ورقة بيتا 28 ، 30 ، 41-42. عادةً ما تنشأ ذروة 1642 سم -1 من ملفات عشوائية ، في حين أن القمم عند 1660 سم -1 و 1682 سم -1 عادةً ما يتم تعيينها لدورات بيتا 41-42. مجتمعة ، يشير التفكك الطيفي إلى أنه عند النضج ، يكون هناك المزيد من الاضطراب في بنية الألياف ، كما يتضح من الزيادة في ذروة الملف العشوائي بالنسبة إلى ذروة ورقة بيتا. يتماشى وجود دورات بيتا وزيادتها النسبية ، كما يتضح من شدة الذروة المجهزة 1660 سم -1 ، مع بنية بيتا المتقاطعة المتوقعة للألياف. ومع ذلك ، فإن وجود العصابات عند 1694 سم -1 و 1725 سم -1 ، أمر غير متوقع إلى حد ما. يُنسب الأول عادةً إلى صفائح بيتا غير متوازية 41-42 ، 45 وقد لوحظ في بيتا أميلويد 45-46 وأوليجومرات ألفا سينوكلين 38. بينما تُعرف هياكل صفائح بيتا المضادة للتوازي بتجمعات أميلويد قليلة القسيمات ، إلا أنه نادرًا ما لوحظ وجودها في الألياف. حددت دراسات 2D IR تواقيع صفائح بيتا المضادة للتوازي في ألياف السينوكلين ؛ تظهر أيضًا طفرات معينة من بيتا أميلويد بنية صفائح بيتا مضادة للتوازي. نتائجنا ، على حد علمنا ، هي الملاحظة الأولى لألواح بيتا المضادة للتوازي لمجموعات تاو. ذروة الصفيحة بيتا المضادة للتوازي غائبة بشكل واضح في النوع -1 متعدد الأشكال. يشير هذا إلى أن الألياف يمكن أن تتبنى إما بنية صلبة جيدة التنظيم (نوع متعدد الأشكال -1) تكون بشكل أساسي صفائح بيتا متوازية ولكن زيادة المرونة الهيكلية و / أو الاضطراب يمكن أن يؤدي إلى تكوين صفائح بيتا مضادة للتوازي.

ومع ذلك ، من المهم ملاحظة أن ذروة ~ 1626 سم -1 لا تتحول عادةً بشكل كبير بين صفائح بيتا المتوازية والمضادة للتوازي. لذلك ، لا تستبعد نتائجنا إمكانية وجود صفائح بيتا متوازية في أي من الألياف حيث يتم ملاحظة ذروة 1694 سم تقريبًا. لا يمكن أن تُعزى الذروة عند 1725 سم تقريبًا إلى اهتزاز العمود الفقري للأميد ، وعلى الأرجح تنشأ من امتداد COOH للأحماض الكربوكسيلية الجانبية 41-42. أظهر العمل الأخير من Pinto وزملاؤه استراتيجيات لحساب طيف الأشعة تحت الحمراء لحزمة الكربونيل لمجموعة COOH لحمض الأسبارتيك باستخدام طرق حسابية كمومية / كلاسيكية. أظهرت النتائج التي توصلوا إليها أن السلسلة الجانبية البروتونية تظهر في منطقة 1700-1780 سم -1 ويمكن استخدام إزاحة التردد 5-10 سم -1 كمسبار للتفاعل بين السلسلة الجانبية و العمود الفقري. يحتوي تسلسل الببتيد Tau 441 على العديد من الأحماض الكربوكسيلية ، بما في ذلك نطاقات تكرار ربط الأنابيب الدقيقة ، والتي ثبت أن لديها ميلًا كبيرًا لتشكيل صفائح بيتا 5-6.

حددت قياسات AFM-IR لمجموعات الأميلويد الأخرى قممًا مماثلة ، والتي نُسبت إلى الأحماض الكربوكسيلية. ومع ذلك ، فإن شريط حمض الكربوكسيل هذا يكون أكثر بروزًا في بعض الألياف من غيره: مساهمته في الذروة الإجمالية تكون أكثر أهمية فقط بالنسبة لنوع -3 3- الليف النهاري و 5- ليفيبر اليوم ، كما يمكن رؤيته في الشكل 4. في التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، غالبًا ما تؤدي المحاذاة ثنائية القطب في الهياكل المرتبة إلى زيادة شدة نطاقات الامتصاص ؛ ومن الأمثلة ذات الصلة تشكيل صفائح بيتا مرتبة من ببتيدات غير مرتبة ، مما يؤدي إلى نطاقات شديدة الحدة عند حوالي 1625 سم -1. وبالتالي ، فإن وجود نطاقات حمض الكربوكسيل المكثفة ربما ينشأ من الترتيب الهيكلي للجلوتاميك وحمض الأسبارتيك. ومع ذلك ، توجد سلاسل جانبية كربوكسيلية متعددة في تاو -446 ، وتفاعلاتها واتجاهاتها الجزيئية المحددة غير معروفة بدقة للهياكل التي تمت ملاحظتها هنا.

علاوة على ذلك ، فإن الكثافة في أطياف AFM-IR تتناسب مع FTIR 32-33 ، ولكن لم يتم الإبلاغ عن عامل الارتباط العددي بين AFM-IR و FTIR بالنسبة لاهتزازات حمض الكربوكسيل. ومن ثم ، فإن ربط شدة الذروة بسلاسل جانبية كربوكسيلية محددة سيحتاج إلى حسابات / اعتبارات نظرية لاستجابة AFM-IR التي تتجاوز نطاق هذا العمل. من المهم أيضًا أن نلاحظ في هذا السياق أن قياسات AFM-IR تختلف عن أطياف الأشعة تحت الحمراء المتناحية المكتسبة في المحلول ، وأن الأطياف المقاسة في AFM-IR هي عبارة عن التفاف لاستقطاب الليزر وتكوين الإضاءة 49-50. لذلك ، من الصعب تحديد الأسس الهيكلية لهذه الذروة بدقة ، وهناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحديد أصولها بدقة. نحن نهدف إلى معالجة هذا في العمل في المستقبل.

تم فحص تراكم أيزومرات تاو في المختبر بالتفصيل ؛ ومع ذلك ، فإن هيكل الوسطاء المبكر و / أو العابر غير معروف جيدًا. تم تحديد الأنواع قليلة القسيمات في تراكم بروتين الأميلويد إما على المسار أو بعيدًا عن المسار نحو تكوين ليفي. نظرًا لأنه يُعتقد أن الألياف هي نقطة نهاية التجميع ، فإن الهياكل الليفية ، بما في ذلك الأشكال المتعددة المختلفة منها ، لا يُنظر إليها عمومًا على أنها عابرة أو خارج المسار. من المعروف أن التباين في البنية الليفية موجود ولكن من المعروف أنه يقدم نفسه بالتزامن مع الاختلافات المورفولوجية 2 ، 8 ، 26 ، 51. نتائجنا فريدة من نوعها من حيث أنها تشير إلى الاختلافات في البنية الثانوية للألياف حتى في حالة عدم وجود اختلافات شكلية ملحوظة . نلاحظ أنه باستثناء نوع الليف -1 ، تحتوي جميع الأطياف الليفية على نفس المجموعة من النطاقات الأساسية ، مما يشير إلى أن النوع -1 هو وسيط عابر يخضع في النهاية لإعادة التنظيم الهيكلي مع النضج. الاحتمال الآخر هو أن هذه الأشكال المتعددة الصفائح بيتا مرتبة مرتبة تمثل بنية "خارج المسار" ، يجب أن تتفكك إلى مجاميع أحادية أو سابقة ليفية ليتم إعادة دمجها في ليفات "على المسار". لم نجد أي وجود مهم للرواسب غير الليفية في العينات المدروسة ؛ ومع ذلك ، فإن الموجودين لديهم طيف يشبه الألياف المضطربة أكثر (الشكل S9). هذا يتفق مع فرضية خارج المسار ومن ثم يقترح أن الأشكال المتعددة الأشكال الأخرى التي تمت ملاحظتها 3- يمكن اعتبارها مجاميع على المسار.

ومع ذلك ، يجب ملاحظة أن أطياف الألياف المذكورة هنا لا تلتقط بالضرورة مجموعة التشكل الكاملة التي تسود أثناء تجميع تاو. لتوضيح التطور الهيكلي للركام في المراحل المبكرة بدقة إلى ألياف ناضجة ، من الضروري إجراء تحليل أكثر تفصيلاً لحركية التجميع ، والتي نهدف إلى معالجتها في المستقبل. الملاحظة الأخرى المثيرة للاهتمام التي تم تمكينها بواسطة AFM-IR هي تحديد صفائح بيتا المضادة للتوازي في الألياف الناضجة. يُعتقد عمومًا ، وقد ثبت من خلال العديد من الدراسات ، أن مجاميع الأميلويد في المراحل المبكرة يمكن أن تحتوي على بنية مضادة للتوازي ، والتي يتم تحويلها إلى صفائح بيتا متوازية صفائح بيتا في المجاميع الناضجة. نلاحظ اتجاهًا معاكسًا: يمكن أن تحتوي مجاميع المرحلة المبكرة على صفائح بيتا متوازية مرتبة بينما تحتوي الألياف الأكثر نضجًا على صفائح بيتا ذات صفائح بيتا متوازنة يتضح من التجمعات النسبية للذروة المقابلة (الأشكال 4G-L).

باختصار ، لقد أوضحنا باستخدام التحليل الطيفي AFM-IR النانوي أن ألياف tau يمكن أن يكون لها اختلافات هيكلية كبيرة ، لا سيما في المراحل المبكرة من التجميع. يتجلى عدم التجانس في شكل تعدد الأشكال المتميز هيكليًا ، والذي يُظهر التشكل التشابه ولكن بنية ثانوية مختلفة. على وجه التحديد ، نحدد ورقة بيتا شيبيتا متوازية مرتبة عابرة في ليفية في مرحلة مبكرة ، والتي تتطور عند النضج إلى بنية ليفية أكثر اضطرابًا تحتوي على صفائح بيتا مضادة للتوازي. تؤكد هذه النتائج على الحاجة إلى إقران التحليل الطيفي بتقنية تم حلها مكانيًا مثل AFM ، حيث لا يمكن إجراء هذا التحديد بشكل لا لبس فيه من تقنيات متوسطة مكانيًا مثل FTIR. تُظهر النتائج التجريبية الموضحة في هذه الدراسة أن مجاميع tau الليفية غير متجانسة وأن العمل المستقبلي سيعالج ما إذا كانت هذه الأشكال المتعددة تستمر في ظل ظروف تجميع مختلفة وفي التجميع المصنف من محللات الدماغ لفهم أهميتها في سياق اعتلالات تاووبات مختلفة.

المواد التكميلية

راجع إصدار الويب على PubMed Central للحصول على المواد التكميلية.

إعتراف

تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة (جائزة 1 R35 GM138162 إلى AG).

مراجع

1. شيميتش جي ؛ بابيتش ليكو م ؛ Wray S ؛ هارينجتون سي ؛ دياللي الأول ؛ Jovanov-Milošević N ؛ Bažadona D ؛ Buée L ؛ دي سيلفا آر ؛ دي جيوفاني جي ؛ ويشيك سي ؛ Hof PR Tau Protein Hyperphosphorylation and Aggregation in Alzheimer and Other Tauopathies and الممكنة العصبية الوقائية. الجزيئات الحيوية 2016 ، 6 (1) ، 6-6. [PubMed: 26751493]

2. Li D ؛ ليو سي تحديد كيميائي هرمي لتعدد أشكال الأميلويد في مرض التنكس العصبي. Nature Chemical Biology 2021 ، 17 (3) ، 237-245. [PubMed: 33432239]

3 - كاميتاني ف. Hasegawa M إعادة النظر في فرضية أميلويد وفرضية تاو في مرض الزهايمر. الحدود في علم الأعصاب 2018 ، 12 (25).

4 - إيدانزا إم جي ؛ جاكسون النائب هيويت EW ؛ رانسون NA ؛ Radford SE حقبة جديدة لفهم هياكل الأميلويد والأمراض. مراجعات الطبيعة بيولوجيا الخلية الجزيئية 2018 ، 19 (12) ، 755-773. [PubMed: 30237470]

5 - بالاتور سي ؛ لي فيمي Trojanowski JQ Tau بوساطة التنكس العصبي في مرض الزهايمر والاضطرابات ذات الصلة. مراجعات الطبيعة علم الأعصاب 2007 ، 8 (9) ، 663-672. [PubMed: 17684513]

6. كولاروفا م ؛ غارك. # 00 ED ؛ أ- سييرا F ؛ بارتوس أ ؛ Ricny ​​J هيكل Ripova D وعلم الأمراض لبروتين تاو في مرض الزهايمر. المجلة الدولية لمرض الزهايمر 2012 ، 2012 ، 13.

7. تابيولا تي ؛ Alafuzoff الأول ؛ هيروكا SK ؛ بارككينين ل. Hartikainen P ؛ Soininen H ؛ السائل الدماغي النخاعي Pirttilä T -Amyloid 42 وبروتينات تاو كمؤشرات حيوية للتغيرات المرضية من نوع الزهايمر في الدماغ. جاما نيورولوجي 2009 ، 66 (3) ، 382-389.

8. Mukrasch MD ؛ Bibow S ؛ كوروكوتو J ؛ جيجاناثان س. بيرنات J ؛ جريسنجر سي ؛ ماندلكو إي ؛ Zweckstetter M التعدد الإنشائي لـ 441- بقايا تاو في حل بقايا واحدة. بلوس بيولوجي 2009 ، 7 (2) ، e1000034.

9. شيريس SHW ؛ تشانغ دبليو فالكون ب ؛ هياكل Goedert M Cryo-EM من خيوط تاو. الرأي الحالي في علم الأحياء الإنشائي 2020 ، 64 ، 17-25. [PubMed: 32603876]

10. Fitzpatrick AWP ؛ فالكون ب ؛ هو S ؛ Murzin AG ؛ مرشودوف جي ؛ غارينجر HJ ؛ كروثر را غيتي ب ؛ جويدرت م ؛ Scheres SHW Cryo-EM هياكل خيوط تاو من مرض الزهايمر. Nature 2017، 547 (7662) ، 185–190. [في النشر: 28678775]

11 - مكي أ. بوسيت ل ؛ ماديونا ك التصوير المجهري للقوة الذرية من Melki R وخصائص الميكانيكا النانوية لست مجموعات من الأشكال الإسوية تاو. المجلة الفيزيائية الحيوية 2020 ، 119 (12) ، 2497-2507. [PubMed: 33217380]

12. Metrick MA؛ فيريرا إن دي سي ؛ سايجو إي ؛ كراوس أ نيويل ك. زانوسو جي فيندروسكولو م ؛ غيتي ب ؛ Caughey BA مقايسة واحدة فائقة الحساسية للكشف والتمييز بين مجاميع تاو لمرض الزهايمر واختيار الأمراض. Acta Neuropathologica Communications 2020، 8 (1)، 22. [PubMed: 32087764]

13. هايلي ز. منغ ريال مروحة JB ؛ تشن جيه ؛ يتم تسريع عملية الرجفان Liang Y لـ Tau البشري عن طريق التعرض للقيادة من خلال التفاعل مع -330 و -362. بلوس واحد 2011 ، 6 ، e25020. [PubMed: 21966400]

14. Von Bergen M؛ بارغورن إس ؛ لي L ؛ ماركس أ. بيرنات J ؛ تعزز طفرات Mandelkow EM لبروتين تاو في الخرف الجبهي الصدغي تجميع الخيوط الحلزونية المقترنة من خلال تعزيز البنية المحلية. مجلة الكيمياء البيولوجية 2002 ، 276 ، 48165–74.

15. فروست ب ؛ Ollesch J ؛ Wille H ؛ تنوع الماس MI المطابق لألياف تاو من النوع البري المحدد بواسطة تغيير التشكل النموذجي. مجلة الكيمياء البيولوجية 2009 ، 284 (6) ، 3546–3551.

16. ليو دبليو ؛ هو X ؛ تشو لام ؛ Tu Y ؛ شي S ؛ منظور مستوحى من التوجه Yao T حول المانع الجزيئي لتجمع تاو بواسطة الكركمين المترافق مع سقالة معقدة من الروثينيوم (II). مجلة الكيمياء الفيزيائية ب 2020 ، 124 (12) ، 2343-2353. [PubMed: 32130010]

17. Prokopovich DV؛ ويتاكر جي دبليو موتي مم ؛ أحمد أ. تأثير Larini L من الفسفرة و Pseudophosphorylation على المراحل المبكرة من تجمع بروتين Tau المرتبط بالأنابيب الدقيقة. مجلة الكيمياء الفيزيائية ب 2017 ، 121 (9) ، 2095-2103. [PubMed: 28218850]

18. آريا إس ؛ جانجولي ف ؛ Arsiccio أ ؛ كلود سي ؛ تراب ب ؛ شونفيلد GE ؛ ليو العاشر لازار كانتريل ك. شيا جي تعمل السد الطرفي لـ MT من جزء تاو الأميلويدوجينيك على تعديل ميل الرجفان. مجلة الكيمياء الفيزيائية ب 2020 ، 124 (40) ، 8772-8783. [PubMed: 32816481]

19. Rojas AV؛ ميسورادزي جي جي ؛ Scheraga HA الاعتماد على تكوين الركام Tau و الببتيد المختلط على البنية الثانوية للمنطقة الطرفية N من A. مجلة الكيمياء الفيزيائية ب 2018 ، 122 (28) ، 7049-7056. [PubMed: 29940109]

20. Qi R ؛ لوه Y وي جي نوسينوف ر. يمكن لآلية البذر المتقاطع "ما بي إيه" "التمدد والتعبئة" أن تؤدي إلى تجميع بروتين تاو. مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية 2015 ، 6 (16) ، 3276–3282.

21. هل TD. إيكونومو نيوجيرسي ؛ شاماس أ ؛ بوراتو SK ؛ شيا جي تعزز تفاعلات MT بين شظايا Amyloid- و Tau الركام الشاذ: الآثار المترتبة على سمية الأميلويد. مجلة الكيمياء الفيزيائية ب 2014 ، 118 (38) ، 11220-11230. [PubMed: 25153942]

22. Buée L؛ بوسيير تي ؛ Buée-Scherrer V ؛ ديلاكورت أ ؛ الأشكال الإسوية لبروتين Hof PR Tau ، الفسفرة ، ودورها في الاضطرابات التنكسية العصبية. مراجعات أبحاث الدماغ 2000 ، 33 (1) ، 95-130. [PubMed: 10967355]

23. Luo Y؛ أماه ب ؛ نوسينوف ر. نظرة وي جي الهيكلية على مفارقة بروتين تاو للسلوك المضطرب جوهريًا ونشاط الاستغلال الذاتي والتجمع. مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية 2014 ، 5 (17) ، 3026-3031. [PubMed: 25206938]

24. Dong X ؛ بيرا إس ؛ Qiao Q ؛ منعش؛ لاو ض ؛ لوه Y غازيت إي ؛ يتم ترميز فصل الطور السائل عن السائل Wei G لبروتين تاو على المستوى الأحادي. مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية 2021 ، 12 (10) ، 2576-2586. [PubMed: 33686854]

25. Goux WJ؛ كوبلين ل. نجوين م ؛ تسرب ك روتكوفسكي م ؛ Shanmuganandam VD ؛ شارما د Inouye H ؛ Kirschner DA تشكيل خيوط مستقيمة وملتوية من ببتيدات تاو القصيرة. مجلة الكيمياء البيولوجية 2004 ، 279 (26) ، 26868-26875.

26 - Fändrich M؛ نيستروم س. نيلسون KPR ؛ بوكمان أ ؛ ليفين H 3rd ؛ Hammarström P Amyloid fibril fibril polymphism: تحدي للتصوير الجزيئي والعلاج. J Intern Med 2018 ، 283 (3) ، 218-237. [PubMed: 29360284]

27. ألياف هيرد تي أميلويد: التكوين ، تعدد الأشكال ، والتثبيط. مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية 2014 ، 5 (3) ، 607-614. [في النشر: 26276617]

28. مارشال ب. لوفيفر تي ؛ Auger M فهم تكوين ليفي الأميلويد باستخدام شظايا البروتين: التحقيقات الهيكلية عن طريق التحليل الطيفي الاهتزازي والرنين المغناطيسي النووي للحالة الصلبة. Biophys Rev 2018 ، 10 (4) ، 1133-1149. [PubMed: 29855812]

29. Eisenberg DS؛ Sawaya MR الدراسات الهيكلية لبروتينات الأميلويد على المستوى الجزيئي. المراجعة السنوية للكيمياء الحيوية 2017 ، 86 (1) ، 69-95.

30. Moran SD؛ Zanni MT كيفية الحصول على نظرة ثاقبة في بنية الأميلويد وتشكيله من التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء. مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية 2014 ، 5 (11) ، 1984-1993. [PubMed: 24932380]

31. دراسات الرنين المغناطيسي النووي للحالة الصلبة Tycko R لهيكل ليفي أميلويد. المراجعة السنوية للكيمياء الفيزيائية 2011 ، 62 (1) ، 279-299.

32 - دازي أ. Prater CB AFM-IR: التكنولوجيا والتطبيقات في التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء النانوية والتصوير الكيميائي. المراجعات الكيميائية 2017 ، 117 (7) ، 5146-5173. [PubMed: 27958707]

33 - دازي أ. براتر سي بي ؛ هو س. مطاردة دي بي رابولت جيه إف ؛ Marcott C AFM-IR: الجمع بين الفحص المجهري للقوة الذرية والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء للتوصيف الكيميائي النانوي. تطبيق الطيف. 2012، 66 (12)، 1365. [PubMed: 23231899]

For more information:1950477648nn@gmail.com