未修饰和过度磷酸化的tau蛋白被用于两个实验 体外 通过聚集实验揭示依赖于过度磷酸化的快速聚集动力学。这些实验为未来筛选能够调节过度磷酸化tau蛋白形成纤维倾向的化合物奠定了基础,而此类纤维正是阿尔茨海默病进展的关键因素。
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未修饰和过度磷酸化的tau蛋白被用于两个实验 体外 通过聚集实验揭示依赖于过度磷酸化的快速聚集动力学。这些实验为未来筛选能够调节过度磷酸化tau蛋白形成纤维倾向的化合物奠定了基础,而此类纤维正是阿尔茨海默病进展的关键因素。
阿尔茨海默病是一组被称为tau蛋白病(tauopathies)的神经退行性疾病中的一种,其特征是神经元内出现以神经原纤维缠结(NFTs)形式存在的过度磷酸化tau蛋白沉积。NFT的密度与认知功能障碍及其他神经退行性症状密切相关,因此推动了以tau蛋白聚集为靶点的治疗策略的研发。然而迄今为止,tau蛋白聚集检测通常使用不含病理相关磷酸化修饰的重组或合成tau蛋白。本文描述了两种以重组的过度磷酸化tau蛋白为研究对象的检测方法。这些方法可扩展用于高通量筛选能够调节过度磷酸化tau蛋白聚集体动力学或稳定性的化合物。利用过度磷酸化tau蛋白亚型,有望发现治疗阿尔茨海默病及其他tau蛋白病的新型治疗药物。
阿尔茨海默病(AD)是一类被称为tau蛋白病(tauopathies)的神经退行性疾病中的一种。tau蛋白病的核心病理特征是神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞中出现的神经原纤维缠结(NFTs)1-4。NFT的密度与认知功能障碍3,5以及神经元丢失6密切相关。NFT主要由高度磷酸化的tau蛋白(以下简称“p-tau”)组成,这些蛋白形成直形或成对螺旋纤维(PHF)7,8。Tau蛋白是一种微管相关蛋白,被认为有助于轴突运输,这对神经元信号传导和物质运输至关重要9,10。在正常大脑中,每个tau分子含有2至3个磷酸基团,但在tau蛋白病患者中,其磷酸化水平可增加数倍11。多种激酶可能参与tau蛋白的过度磷酸化过程,包括GSK3β(糖原合成酶激酶3β)和CDK5(周期蛋白依赖性激酶5)12,13,但引发病理性磷酸化的直接诱因仍不明确14。发生在微管结合基序内或附近的异常磷酸化会导致tau蛋白从微管上解离15,并引起tau蛋白错误定位至胞体-树突区,在该区域p-tau聚集成直形或成对螺旋纤维,最终可聚合形成NFT包涵体。tau蛋白过度磷酸化、NFT形成与神经退行性变之间的紧密关联,促使人们普遍认为p-tau缠结会引发凋亡及其他细胞毒性反应,因而被认为是tau蛋白病导致神经退行性变的根本原因16,17。基于这一假说,已开展药物筛选和早期临床试验18。然而,该假说也面临挑战19,20。例如,SantaCruz 等研究表明,即使已有tau分子继续形成NFT,通过抑制突变人源tau的表达仍可改善转基因小鼠的认知功能21。在果蝇(Drosophila)模型中,NFT被发现能够隔离有毒的胞质tau,从而保护 underlying 神经元细胞22,23。显然,无论NFT是否具有致病作用,都将极大影响tau蛋白病治疗策略的发展方向。
在高浓度下,重组或正常脑源性tau蛋白会自发地但缓慢地聚合形成类似PHF的结构 体外,这通过多种β折叠结构偏好性荧光染料的结合、电子显微镜观察以及光散射光谱得以证实 24-27加入肝素或花生四烯酸(人脑中含量丰富的脂肪酸)可显著加速成对螺旋丝(PHF)的形成,且该过程具有tau蛋白亚型依赖性和诱导剂浓度依赖性。 28-32有趣的是,从阿尔茨海默病(AD)脑组织中纯化的过度磷酸化tau蛋白,或通过完全磷酸化制备的过度磷酸化tau蛋白 体外 磷酸化反应聚集更快且更高效 26,33-35这些结果与 p-tau 的病理作用高度一致。 体外 基于p-tau聚集的系统因此可作为阿尔茨海默病药物筛选的有力工具。
鉴于tau蛋白聚集与阿尔茨海默病(AD)的进行性神经退行性变密切相关,以及近期针对AD另一关键组织学标志物Aβ斑块的药物研发相继失败 36-38,针对调控tau蛋白聚集的药物研发兴趣日益增长。事实上,已有多个研究团队开始采用不同通量水平进行药物筛选,使用 体外 以tau蛋白聚集反应作为主要检测方法。多种化学物质被发现对tau蛋白的聚集具有抑制或逆转作用。 体外 39-42然而,目前所有tau蛋白聚集调节剂的筛选均使用未经修饰的tau蛋白,忽略了磷酸化这一关键病理标志,这引发了人们对这些化合物在阿尔茨海默病治疗中特异性和有效性的担忧。
开发用于生化表征和阿尔茨海默病(AD)药物筛选的聚集检测方法时,一个主要障碍是难以获得足量具有病理生理相关性的高磷酸化tau蛋白。我们利用“拉链辅助催化系统”(Zippers-Assisted Catalysis system),在大肠杆菌(E. coli)中将tau蛋白的1N4R亚型与GSK-3β激酶共同表达为亮氨酸拉链融合蛋白,成功克服了这一难题(Sui et al.,已投稿;最终产物中的tau和p-tau见图1;另见43中对p-tau的初步质谱表征结果)。在一组针对tau蛋白不同磷酸化位点的九种特异性抗体中,有八个位点检测到阳性信号(数据未显示)。下文将描述可区分未修饰tau蛋白与p-tau蛋白聚集动力学差异的实验方案及仪器操作方法。这些检测方法是在已发表的检测方案基础上改进而来,通过硫磺素T(ThT)或硫磺素S(ThS)与淀粉样蛋白(tau聚集体)结合后荧光信号的增强进行检测26。第一种为“终末法”、无染料检测模式:聚集反应在不含淀粉样染料的条件下组装并孵育;在不同时间点取出各反应体系的等分试样,与含ThT的缓冲液等体积混合,以终止聚集反应并使ThT结合tau聚集体,随后使用IAP FluoroMax-2荧光分光光度计测定荧光强度。第二种为“含染料”连续监测法:在聚集反应体系中直接加入ThT或ThS,整个实验过程中可手动或借助多孔板读数仪连续测定荧光信号。此外,我们还介绍了一种在连续检测模式下使用接近生理浓度的tau和p-tau进行聚集实验的方法,该条件下磷酸化的影响仍可被清晰检测到。下文将逐步说明各项操作流程,并展示这些检测方法的代表性结果。随后将讨论每种方法的优缺点及其在药物筛选中的潜在应用。
在高浓度下,tau蛋白会自发聚集形成类淀粉样结构。然而,在实验室中,通常使用肝素(平均分子量为6,000 g/mol)和花生四烯酸等诱导剂来加速tau蛋白的纤维化过程。本文所示示例包含30 µM肝素。tau蛋白淀粉样聚集的形成可通过硫黄素T(ThT)或硫黄素S(ThS)与淀粉样结构结合后产生的荧光进行监测。ThT在结合tau聚集物后,其荧光发生红移(激发波长:450 nm;发射峰值:485 nm)。而ThS在未结合淀粉样结构前,在450 nm激发下于510 nm处仅有微弱发射荧光,但在存在如聚集态tau蛋白等淀粉样蛋白时,其荧光强度显著增强44。这两种染料均可有效检测tau蛋白及磷酸化tau蛋白(p-tau)的聚集。由于ThT具有较强且相对较宽的发射峰(见图2),在510 nm处的荧光单位仅降低30%。为方便起见,无论使用哪种染料,我们均采用相同的激发/发射波长组合(即,450 nm/510 nm)来监测tau蛋白的聚集过程。
Tau 蛋白的聚集反应可在有或无染料的条件下进行,具体取决于实验目的和 Tau 蛋白的可获得性。以下展示了两种反应模式。此外,我们还演示了两种不同仪器的操作方法——单样品荧光光谱仪(ISA-SPEX FluoroMax-2)和多孔板读板仪(SpectraMax M2)。读者可根据自身具体需求和仪器条件对这些实验方案进行适当调整。
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1. 试剂的准备
2. 无染料末端检测法
注意:本实验的聚集反应在不含荧光染料的条件下进行。混合所有组分后,让反应进行至预设的时间点。然后从聚集反应体系中取出等分试样,与硫磺素T(ThT)或硫磺ine S(ThS)混合,以实现淀粉样蛋白结合,随后进行荧光检测。初始聚集反应体系的体积取决于所需时间点的数量。该方法可能需要较大量的tau蛋白,但操作快速、直接,可在荧光光度计或多功能酶标仪中完成(参见讨论部分)。以下是以ISA SPEX FluoroMax-2紧凑型荧光光谱仪进行荧光定量的逐步操作步骤。
3. 在 SpectraMax M2 酶标仪上进行含染料的连续模式检测
注意:本实验与之前的方法不同之处在于,聚集反应中包含了荧光染料 ThT 或 ThS。这使得可以对同一组反应进行连续监测。由于反应体系需重复使用,因此该方法更适合使用自动化的多孔板读板仪(如下方所示的 SpectraMax M2 操作)。常规荧光计也可使用,但由于操作为手动,对快速聚集反应的检测频率在一定程度上受限。
4. 使用染料在小型荧光分光光度计上进行连续模式检测
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利用重组的 tau 蛋白和磷酸化 tau 蛋白(p-tau)(图 1),我们建立了两种不同的实验方案,通过硫黄素 T(ThT)和硫黄素 S(ThS)在结合淀粉样蛋白聚集体(包括 tau 和 p-tau)时产生强烈荧光的特性,来比较 tau 与 p-tau 的聚集动力学(图 2)。无论在聚集反应中是否加入荧光染料,我们均观察到过度磷酸化显著促进 tau 蛋白的聚集(图 3–5)。这种促进作用与肝素无关(数据未显示)。在典型反应中,tau 和 p-tau 在反应开始后的前 30 分钟内迅速形成寡聚体,随后聚集速率显著减慢(图 3 和图 5),且在整个实验过程中,p-tau 始终表现出更高的荧光强度单位。在聚集反应中加入 ThT 会导致聚集速率明显减缓(图 4)。两种蛋白在反应启动约 160 小时后均接近平台期。而 ThS 则不会引起聚集过程的显著减慢(图 5)。
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本方案展示了可检测磷酸化依赖性tau蛋白快速聚集动力学的不同实验条件和仪器。在终点实验中,于每个时间点从主反应体系中取出部分反应液,加入荧光染料ThT,随后检测淀粉样蛋白结合诱导的荧光信号26。第二种方法为含染料模式,即在ThT或ThS存在的条件下进行tau蛋白聚集反应,使该类反应适用于对tau蛋白聚集体生长的实时自动监测。上述每种方法均有其优缺点。
终末模式反应仅使用诱导tau蛋白聚集所需的组分进行。将反应液与硫黄素T(ThT)稀释并混合会显著减缓荧光增强的速率,实质上在进行荧光定量时停止了反应。因此,该方法也适用于手动操作。然而,由于加入ThT后反应实际上已终止,绘制聚集曲线可能需要大量tau蛋白。该方法的另一个潜在局限是频繁接触反应混合物可能引入微生物或蛋白水解污染,或导致蛋白质氧化。相比之下,含染料模式允许在ThT或硫黄素S(ThS)存在下生成淀粉样蛋白,聚集进程可被连续监测而无需干扰反应体系。这一特性在建立自动化检测平台时尤为有利。然而,不同染料可能产生特异性响应。事实上,ThT显著延缓tau和磷酸化tau(p-tau)的聚集,而ThS则影响甚微(比...
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我们无任何披露事项。
本工作由美国国家衰老研究所(AG039768)资助 MHK。我们感谢 Thomas Sharkey 博士和 Honggao Yan 博士慷慨提供仪器,同时感谢 Sean Weise 和 Yan Wu 提供的技术支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Trizma base | Sigma | T1503 | |
| NaCl | Macron Fine Chemicals | MAL-7581-06 | |
| 乙二胺四乙酸(EDTA) | Invitrogen | 15576-028 | |
| 硫黄素 T | Sigma | T3516 | 避光保存 |
| 硫黄素 S | Sigma | T1892 | 避光保存 |
| 肝素 | Sigma | H3393 | |
| DL-二硫苏糖醇(DTT) | Sigma | D9779 | 4 °C 保存 |
| 96 孔板 | Corning | 3917 | |
| ISA SPEX FluoroMax-2 | Horiba | ||
| SpectraMax M2 多功能微孔板读板仪 | Molecular Devices | ||
| 小鼠抗 Tau 单克隆抗体 | R&D Systems | MAB3494 | –80 °C 保存 |
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