令人惊讶的是,历史上被误解的淀粉样蛋白对于长期记忆的形成是必要的

活跃Orb2淀粉样

生物化学活性的Orb2淀粉样蛋白的原子结构揭示了灯丝核心的堆叠三重螺旋对称。插图:利用低温电子显微镜结合图像处理重建了Orb2淀粉样丝核。资料来源:斯托尔斯医学研究所Si实验室

斯托尔斯医学研究所(Stowers Institute For Medical Research)的科学家及其合作者首次以原子分辨率描述了一种内源性、功能性神经元淀粉样蛋白的结构。这种淀粉样蛋白由自聚集的Orb2组成,Orb2是果蝇体内的mrna结合胞质多聚腺苷酸化元件结合(CPEB)蛋白,该蛋白与长期记忆存储有关。这项研究的结果于2020年3月13日在线发表科学,有一些非常有趣的暗示。

“我们认为淀粉样蛋白通常的产生方式是,当蛋白质由于某种原因变坏或折叠错误时,提示淀粉样蛋白的形成是随机的、不受控制的过程,”斯托尔斯研究员兼科学副主任Kausik Si博士解释说。“相反,我们发现淀粉样蛋白可以在非常特定的时间,在非常特定的细胞中,以非常特定的方式形成。”

淀粉样蛋白通常被理解为其相关的神经毒性或退行性状态。在……的情况下阿尔茨海默氏症在美国、帕金森氏症、亨廷顿氏症和克雅氏病中,蛋白质以异常的方式聚集形成稳定的、不可溶的沉积物,对神经系统造成严重破坏。

然而,在2003年,Si和他当时的导师、医学博士埃里克·坎德尔(Eric Kandel)在研究海蛞蝓的CPEB时,发现了神经系统中具有适应性功能的淀粉样蛋白的存在海兔californica.通过对老鼠和果蝇的后续研究黑腹果蝇, Si等人的研究表明,事实上,CPEB和Orb2蛋白自聚集(淀粉样蛋白)的独特属性对它们在突触的正常功能至关重要。

这些研究表明,CPEB/Orb2在大脑中以不同的功能和结构状态存在。主要形式是抑制突触翻译的单体,但随着记忆的形成,这些单体自我组装成生物化学活性的聚集体,促进突触翻译。这种过渡对于内存持久性是必要的。

“他们假设淀粉样蛋白的状态可能很重要,但在目前的工作之前,还没有明确证明蛋白质的物理状态是淀粉样蛋白,”该论文的第一作者、Si实验室的高级研究员Ruben Hervas博士解释说。

赫瓦斯在研究生院研究致病淀粉样蛋白。他说:“我想利用我的生物物理学背景来研究其他淀粉样蛋白形成的结构特征——好的那种。”

Hervas于2016年加入该实验室后,他和Si很早就同意,研究Orb2结构的最佳方法是从内源性来源(许多果蝇)中提取蛋白质,而不是从细菌中提取重组Orb2,尽管这要困难得多。

Hervas解释说,与内源性Orb2不同,重组Orb2没有生物化学活性。“原始环境,即神经系统,对保存蛋白质的活性构象很重要,以及它最有趣的特性——与它自聚集和形成与记忆有关的生物化学活性淀粉样蛋白结构的能力有关。”

赫瓦斯和团队还面临着另一个障碍。“因为这种蛋白质很大,大约有700种


Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.
" class="glossaryLink ">氨基酸,不容易结晶。例如,迄今为止,x射线晶体学解决的淀粉样结构只使用了由少量氨基酸组成的肽。”因此,赫瓦斯继续说,“低温电子显微镜(EM)提供了解决这种结构的机会。”

在目前的研究中,Hervas和他的同事们从大约300万成年人体内纯化了Orb2果蝇正面。在这些样品中,Orb2以单体、低聚物或自聚集的细丝(淀粉样蛋白)的形式存在。研究人员首先证实了Orb2丝状体能够进一步形成丝状体,纯化后的Orb2丝状体具有生物化学活性,即能够在单体状态下抑制蛋白质翻译,在寡聚状态和丝状状态下激活蛋白质翻译。

他们的巨大努力得到了回报。使用低温电子显微镜和纯度超过97%的样品,Hervas和同事能够解析内源性的结构果蝇2。6埃的分辨率。他们发现内源性的Orb2形成了三倍对称的淀粉样蛋白丝,大约75纳米长。他们证实了Orb2在交叉-淀粉样蛋白结构中聚集,并发现其原丝核的发夹状褶皱,由31个氨基酸组成,通过亲水性界面打包。

这项工作也为一个非常重要的问题提供了部分答案——当淀粉样蛋白通常与记忆丧失有关时,神经元蛋白的淀粉样蛋白如何可能帮助存储记忆?在他们的论文中,作者得出结论,与致病性淀粉样蛋白的疏水核心不同,Orb2丝的亲水核心表明,一些神经元淀粉样蛋白可能是一种稳定但可调节的记忆底物。

“这一发现改变了我们对蛋白质折叠和组装的看法,”Si说。“我们现在思考生物学的方式是:你有一个基因,你制yabo124造了一串氨基酸,一旦一个多肽被制造出来,它就被编程成一种构象,因为有一个特定的功能附着在它上面。如果它偏离了这条路径,就会有一个系统将其移除。但这项工作表明,有时一个细胞允许相同的蛋白质形成完全不同的构象。它是如何做到的呢?它什么时候起作用?”

一些蛋白质的构象灵活性开启了一种可能性,即蛋白质可能根据构象状态具有不止一种功能——Si和他的实验室成员将热衷于进一步研究这一现象。

而记忆在果蝇Hervas和他的同事下一步期待确定这种功能性淀粉样蛋白是否也存在于小鼠和人类的神经系统中,特别是因为人类的神经系统特别容易发生淀粉样蛋白类疾病。Hervas解释说,在小鼠和人类中有四种CPEB亚型,每一种都有几种变体。“老鼠体内的一些特定亚型对记忆巩固也很重要,它们在蛋白质序列上几乎与相应的人类亚型相同。”

“我们开始研究从人类内侧颞叶中提取的CPEB蛋白,内侧颞叶是储存长期记忆的部位。我们打算解决这个结构,然后用老鼠模型研究记忆和蛋白质结构之间的联系。”

“随着生物体变得更加复杂,大脑是进化和多样化程度最高的系统之一,”Si表示。“但如果你看看涉及的蛋白质的数量,实际上并没有显著变化。一种可能性是,更复杂的生物系统利用这种构象空间来创造更多的功能。而不是创造新的蛋白质,只是在不同的形状可以创造新的功能。”

这项工作的其他合作者包括斯托尔斯研究所的扬西姆·帕克;Michael J. Rau和James A.J. Fitzpatrick博士,来自圣路易斯华盛顿大学;来自MRC分子生物学实验室的张文娟博士、Alexey G. Murzin博士和Sjors H.W. Scheres博士。yabo124

这项研究部分由斯托尔斯医学研究所和英国医学研究理事会资助(MC_UP_A025_1013,授予S.H.W.S.)。

调查结果概要

蛋白质通常被认为采用单一的形状,或“折叠”,蛋白质的形状决定了它的功能。然而,一些蛋白质在自我组装时,可以采用一种叫做“淀粉样蛋白”的次级形状。历史上,淀粉样蛋白被认为是无功能的,甚至是致病的,特别是在大脑中,就像阿尔茨海默氏症的情况。

然而,令人惊讶的是,斯托尔斯医学研究所的Kausik Si博士和其他人的研究表明,一种被称为Orb2的长期记忆形成和保持所必需的蛋白质,可能能够将淀粉样蛋白的形状作为其正常和必要功能的一部分。然而,直到现在,Orb2作为真正的淀粉样蛋白存在于大脑中还没有被确定,因为它的结构是未知的。

Si实验室及其合作者于2020年3月13日在线发表了一份报告科学在原子级的分辨率上,从自然界(数百万只果蝇的大脑)中纯化出来的Orb2的结构具有了特征,并证明了它确实作为大脑中的功能性淀粉样蛋白存在。这项由Ruben Hervas博士领导的研究是第一次从大脑中纯化并描述具有已知生物学功能的淀粉样蛋白。有趣的是,Orb2的淀粉样(自组装)折叠促进了记忆相关蛋白的产生,而Orb2的单体(单蛋白)折叠则抑制了记忆相关蛋白的产生,说明蛋白质可以通过多种形状具有多种功能。

这些发现提出了两种有趣的可能性,Si实验室将进一步探索这种功能神经元淀粉样蛋白也存在于人类的可能性,以及其他已知具有特定功能的蛋白质能够达到淀粉样蛋白状态以实现替代功能的可能性。

参考文献:Ruben Hervas, Michael J. Rau, Younshim Park, Wenjuan Zhang, Alexey G. Murzin, James a . J. Fitzpatrick, Sjors H. W. Scheres and Kausik Si, 2020年3月13日,“神经元功能淀粉样蛋白的低温电子显微镜结构涉及果蝇的记忆持久性”,科学
DOI: 10.1126 / science.aba3526