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科研进展

Cell Research |刘聪与合作者在人脑中发现并表征由TMEM106B形成的全新病理蛋白纤维聚集体

发布时间:Apr 28, 2022

近日,中国科学院生物与化学交叉研究中心刘聪课题组与上海交通大学李丹课题组、复旦大学附属华山医院王坚课题组合作在Cell Research在线发表题为Generic amyloid fibrillation of TMEM106B in patient with Parkinson's disease dementia and normal elders的研究成果。在这项研究中,研究人员直接从一位伴有痴呆的帕金森病患者(Parkinson’s disease dementia, PDD)及两位高龄健康对照者的脑组织中提取并发现一种之前未知的全新病理蛋白聚集体,进一步通过冷冻电镜及质谱等方法揭示这种全新的蛋白病理聚集体是由跨膜蛋白106Btransmembrane protein 106B, TMEM106B)折叠成新颖的冰壶状片层结构单元并进一步自组装形成。本工作发现了存在于ND病人及健康高龄老人脑中的一类全新病理蛋白纤维聚集体,并讨论了新发现的蛋白聚集体在NDs及衰老中的作用。

                                         

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刘聪课题组长期研究帕金森病关键蛋白α-syn的液-固相变与聚集的分子机理发展化学干预的新方法。通过发展包括螺旋重构技术及电子衍射技术手段系统研究并发现了不同的内在及外在条件可以诱导 α-syn通过液-固相变形成具有不同三维结构的病理蛋白聚集体,并呈现不同的细胞病理毒性。然而,之前的研究主要借助于体外制备的α-syn蛋白聚集体展开。在本工作中,刘聪课题组与华山医院王坚课题组及交通大学李丹课题组密切合作,首次尝试从PDD患者脑组织中直接提取α-syn病理蛋白聚集体,并通过多步纯化最终从脑组织成功提取获得蛋白纤维聚集体(图1。然而,令人惊讶的是,从PDD脑组织提取的蛋白纤维聚集体并非由α-syn形成。进一步,研究人员通过冷冻电镜及质谱等技术手段鉴定这个全新的蛋白聚集体是由之前缺乏关注与研究的TMEM106B蛋白形成的。


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1. 人脑组织蛋白纤维聚集体提取方法及结果。


更为有趣的是,除了PDD患者的脑组织,研究人员同时从另外两例高龄健康对照者脑组织中提取获得同样由TMEM106B形成的蛋白纤维聚集体。进一步的研究发现, TMEM106BPDD及两例健康对照脑组织中形成有别于其天然构象的全新冰壶状构象并组装形成具有类似β-折叠片层结构的纤维聚集体。但TMEM106B在三种不同来源的纤维聚集体中又存在细微的差别。在2号健康对照中,TMEM106B呈现单股原纤维组成的Type 1结构(图2;在1号健康对照中为单股原纤维组成的Type 2结构;在PDD中同时存在两种结构的TMEM106B纤维,一种为与1号健康对照相同的Type 1结构,另一种为由两股与Type 1结构相同的原纤维组成的Type 3结构。Type 1Type 2纤维聚集体均由TEME106BC端结构域Residue 120-254组成,形成一个含有17β-片层的冰壶状构型(图2


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2. PDD患者和高龄健康对照脑组织TMEM106B纤维聚集体冷冻电镜结构。


值得一提的是,在过去的1个多月时间里,哥伦比亚大学Fitzpatrick课题组、加州大学洛杉矶分校Eisenberg课题组及剑桥大学GoedertScheres课题组陆续在CellNature报道了与本研究高度相关的研究成果1-3。其中,FitzpatrickEisenberg课题组从多个不同类型NDs(包括额颞叶变性、进行性核上性麻痹及路易体痴呆等)的患者脑中获取TMEM106B病理纤维聚集体,并认为TMEM106B形成的聚集体与不同NDs(特别是额颞叶变性)的发病密切相关。然而,GoedertScheres课题组发现TMEM106B不仅存在与ND患者脑组织中,也存在于高龄健康人群脑组织中,并推测TMEM106B聚集体可能是一个衰老相关的年龄依赖的蛋白聚集体,与ND的发病没有直接关联。因此,以上三个工作对于TMEM106B纤维聚集体的病理意义存在较大的争议。

在本工作中,研究人员综合分析了本工作及以上三个工作中报道的用来提取TMEM106B纤维聚集体的脑组织捐赠者年龄在不同亚群中的分布特征,发现无论是以家族性及散发性NDs分类,还是以不同类别的NDs分类,NDs患者的年龄均显著低于健康对照组(图3)。据此,提出了疾病与年龄共同作为TMEM106B病理纤维聚集形成的两个关键驱动因素。

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3. 含有TMEM106B纤维的脑组织捐赠者的年龄统计分析图。


综上,本研究工作从PDD患者及高龄健康对照中脑组织中意外发现一类全新的由TMEM106B蛋白形成的病理纤维聚集体。并讨论TMEM106B纤维的形成与疾病、衰老的直接关系。本工作为理解不同蛋白病理聚集体在疾病及衰老中的复杂作用提供了新的认识;为进一步探索人脑中存在的不同蛋白聚集体的纷繁复杂的病理及生理活性开拓了新的思路;也为识别病理蛋白聚集体的PET示踪剂的研发提出新的挑战。

 

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41422-022-00665-3

 

参考文献:

1          Schweighauser, M. et al. Age-dependent formation of TMEM106B amyloid filaments in human brains. Nature, doi:10.1038/s41586-022-04650-z (2022).

2          Chang, A. et al. Homotypic fibrillization of TMEM106B across diverse neurodegenerative diseases. Cell, doi:10.1016/j.cell.2022.02.026 (2022).

3          Jiang, Y. X. et al. Amyloid fibrils in disease FTLD-TDP are composed of TMEM106B not TDP-43. Nature, doi:10.1038/s41586-022-04670-9 (2022).


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