在这里,我们提出了一种系统的方法,描述了淀粉样蛋白 β 1-40 (Aβ 1-40) 包被的 20 nm 金聚集体的准可逆自组装。肽之间纳米尺寸依赖性的准可逆网络与 Aβ 1-40 单体的特定氨基酸或部分相关。
方法文章
在这里,我们提出了一种系统的方法,描述了淀粉样蛋白 β 1-40 (Aβ 1-40) 包被的 20 nm 金聚集体的准可逆自组装。肽之间纳米尺寸依赖性的准可逆网络与 Aβ 1-40 单体的特定氨基酸或部分相关。
使用表面等离子体共振 (SPR) 光谱和透射电子显微镜 (TEM) 对涂覆在纳米金胶体颗粒表面的 Aβ 1-40 进行表征。观察到的 Aβ 1-40 涂层 20 nm 金颗粒的 SPR 波段的 pH 依赖性偏移与 TEM 图像中观察到的聚集和解聚交替相关。~4 的 pH 值诱导未折叠的构象,而 ~10 的 pH 值诱导 Aβ 1-40 在金表面的折叠构象。当 pH 值逐渐从 pH 4 变为 pH 10 时,通过拉曼成像观察到这种可逆聚集过程。我们在金表面观察到 Aβ 1-40 的 pH 依赖性形态变化,在 pH 4 时观察到透明的聚集体。然而,我们观察到 pH 4 和 pH 10 条件下表面增强拉曼光谱 (SERS) 光谱存在非常细微的差异,最显着的差异是光谱密度在 250 cm-1 和 1750 cm-1 范围内。具体来说,可逆聚集体的模式分析表明,聚集体是由 Aβ 1-40 的展开构象形成的,其中涉及酪氨酸和苯丙氨酸的苯环部分。相反,聚集体的分解与 Aβ 1-40 蛋白质折叠的构象变化有关,涉及组氨酸、谷氨酰胺、蛋氨酸和天冬氨酸。
淀粉样蛋白 β 1-40 (Aβ 1-40) 或 1-42 (Aβ 1-42) 肽的原纤维生成已被广泛研究为淀粉样蛋白斑块形成的关键成分,淀粉样蛋白斑块是阿尔茨海默病的原因 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 ,11.纤维生成的关键机制是 Aβ 1-40 或 Aβ 1-42 肽的寡聚化形成神经毒性蛋白质聚集体,并且已经进行了广泛的研究以了解单体如何形成低聚物的机制 12,13,14.我们采取了一种方法来检查在纳米金表面上形成聚集体的淀粉样蛋白生成肽,并确定负责远离金表面的肽之间联网的因素15、16、17、18、19、20、21、22。
Aβ 1-40 在酸性条件 (pH ~4) 下采用未折叠构象 (A),在碱性条件 (pH ~10) 下采用折叠构象 (B)。我们在 pH ~10 下观察到分散的 Aβ 1-40 涂层金胶体颗粒,在 pH~4 下观察到大的 Aβ 1-40 涂层金胶体聚集体(图 1)23,24。在酸性条件下,Aβ 1-40 的去折叠构象有利于 Aβ 1-40 单体之间的肽网络,而不是金纳米颗粒表面,从而形成金胶体聚集体(参见图 1 中的 A)。当 Aβ 1-40 单体在碱性或中性 pH 值 Aβ 1-40 下保持折叠构象时,单体不会联网成聚集体,包被的金纳米颗粒保持为单独的分散颗粒(参见图 1 中的 B)。因此,我们可以通过测量25、26、27、28、29、30、31 范围内 pH 条件下的 SPR 带偏移来询问 Aβ 1-40 肽如何发生构象变化到网络并形成聚集体的过程。
我们测试了几种不同大小的金纳米颗粒,发现 20 nm 金胶体响应 pH 值的外部变化表现出 Aβ 1-40 单体最突出的可逆自组装过程(图 2)。这清楚地表明肽构象发生了可逆变化,其中酸性条件 (A) 诱导了未折叠的构象,增强了网络并导致金胶体的聚集。发现基本条件 (B) 诱导单体 26,27,28,29,30,31 的折叠构象。
1. Aβ 1-40包覆金纳米颗粒的制备
2. 迭代 pH 值变化和监测相应的 SPR 频带偏移
。
(pH)。
(1)
制成表格,作为每个"作"编号 n 与 n 的
函数。在 ~pH 值为 7 时加入酸之前,将样品的作编号 n 设为 1。每次将作次数增加 1,将 pH 值更改为 ~pH4(HCl)或 pH 值(NaOH)更改为 ~pH 10。使 n 在酸性条件(即 ~pH 4)下为偶数,使奇数为碱性条件(即 pH 10)。
处的峰位置 (n) = λ(n)
(2)3. 拉曼成像和可逆聚集的研究
随着 Aβ 1-40 附着在金纳米胶体颗粒表面,当溶液变得更酸性 (pH 4) 时,530 nm 吸收最大值周围的 SPR 带显著红移至 ~650 nm 峰位置35。结合 TEM 图像,我们确定在 pH 4 下观察到的光谱特征对应于金胶体聚集体的形成,这些聚集体具有合理展开的构象,并与吸附在金表面的周围未折叠的 Aβ 1-40 单体30 相连。我们观察到 Aβ 1-40 单体在碱性 (pH 10) 条件下反转回折叠构象,导致聚集体以准可逆方式变形。这种准可逆过程从平均带峰 ((n)) 的交替中可以明显看出,平均谱带峰 (
(n)) 在较短和较长的波长之间移动,以及 TEM 图像中碱性 (pH = 10) 和酸性 (pH = 4) 条件之间的色散与聚集体形态。先前已经观察到,即使在溶液恢复到碱性条件后,Aβ 1-40 单体的一部分仍未折叠36。视频 1 显示了 Aβ 1-40 和 20 nm 裸金胶体的 pH 依赖性颜色变化。
作为比较,对 20 nm 裸金胶体进行了 pH 跳跃研究(图 5C 和 D)。随着 pH 值变化作的进行,它在 SPR 波段 shoft、TEM 图像以及白光图像中显示出金胶体聚集的增长。非常有趣的是,有几条 SERS 谱线取决于 n奇数和 n偶数。例如,在 n偶数 (pH ~4) 时,275 cm-1 处的线被指定为与 Aun (n = 5, 6, 12, 16, 20, 58)37 或 Au-Cl- 配体38 的模式相关的模式被密集观察。另一方面,对于 n偶数,在 1008 cm-1 处观察到 C-N str39 和 CH2 摆动39,在 1291 cm-1 处广泛观察到 CH2 变形40。
与白光成像观察到的清晰的 pH 依赖性和可逆聚集形态相反,SERS 光谱中 n奇数 和 n偶数之间的光谱特征存在相对细微的差异。作为第一个近似值,在 250 cm-1 和 1750 cm-1 之间的区域内,n奇 数的光谱线密度高于 n偶数。指纹区域 1250 cm-1 和 1750 cm-1 (酰胺 I、II 和 III 波段)中 n奇 数的光谱线显示出较低分辨率的光谱特征,这意味着光谱密度变宽或增加。在 图 6 中, 图 5B 中给出的等值线图(图 6B)与 761 cm-1 (红色)和 1395 cm-1 (蓝色)的 SERS 信号组织在一起,分别代表 n奇数 和 n偶数的强调(图 6C)。作为 n奇数 和 n偶数的代表性 SERS 谱图,n = 7(红色)和 n = 4(蓝色)的 SERS 谱图显示在顶部(图 6A)。为了显示与 Aβ1-40 涂层 20 nm 金的 SPR 带移的对应关系, 图 3 中的带移图显示在侧面(图 6D)。
虽然我们获得了有关观察到的 SERS 光谱完整分配的初步数据,但我们在这里注意到几个值得注意的拉曼偏移特征。在 n奇数中增强的谱线和(合理的分配)主要在低于 1000 cm-1 的区域:394 cm-1 (Trp)41,42,43,761 cm-1 (His,Ala)39,44,45,46,47,875 cm-1 (吲哚 NH 位移,Met 的 C-C 拉伸)39, 974 cm-1 (Glu,C-COO-Asp 的拉伸,与柠檬酸盐相关的模式)39,48,49。在 n 处增强的拉曼位移甚至在指纹区域(酰胺 I、II 和 III)显示出显着的光谱特征:1166 cm-1(Tyr的 N-H+ 变形)39,41、1227 cm-1(Ala-Pro-Gly、酰胺 III)39,50,51、1395 cm-1(COO - 对称拉伸或 CH2- CH3 - Glu 的剪刀)39,48、 1585 cm-1 (Phe的环CC拉伸、羧酸盐-Au的不对称拉伸、柠檬酸盐的COO-拉伸、苯环的变形)39,41,45,46,47,49,52, 1592 cm-1 (Phe、Tyr、Tyr的C=C拉伸、Phe中环的CC拉伸、苯环拉伸和COO-Phe 和 Tyr 的拉伸,以及 OH 的不对称拉伸)39,41,48,50,51 和 1628 cm-1(分子间 β 折叠结构53、C=O 和蛋白质骨架的耦合 CN/NH 振动模式源自平行 β 折叠型结构、聚集 Aβ 54 的积累、无规则卷曲、β 转、 β 发夹48.出现 n奇数或 n偶数的序列如图 7 所示。总体而言,对于 n甚至对应于 Aβ 1-40 的可逆聚集或展开构象,含有苯环的 Phe/Tyr、COO- 的对称拉伸、Glu 的 CH2- CH3- 剪刀模式和 Tyr 的 -NH+ 变形显着参与肽的构象变化。在肽采用对应于 n奇数处突出的模式的折叠构象时观察到的聚集体分解过程中,似乎涉及 Glu、Asp、Met、His 和 Ala。

图 1:pH 依赖性吸光度和形态。显示了 Aβ 1-40 包被的金纳米颗粒 (20 nm) 在 pH 4 (A) 和 pH 10 (B) 下的吸收光谱,以及相应的 TEM 图像、聚集/分散颗粒的草图和样品瓶中溶液的图片。A 是 Aβ 1-40 单体在酸性条件下的去折叠构象,B 是碱性条件下的折叠构象。TEM 图像旁边显示了每种构象和 Aβ 1-40 单体的聚集/分散形态图。请单击此处查看此图的较大版本。

图 2:纳米级依赖的自组装可逆性。 对于所有测试尺寸的金胶体颗粒,SPR 谱带
的平均峰位置偏移与作数 n 的函数关系。图1中还给出了近似的pH值和 聚集 体的相应阶段。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3:
和每个作编号处的 TEM/白光图像。
将 Aβ 1-40 涂层的 20 nm 金(闭合圆圈)和 20 nm 金胶体(空心圆圈)的作编号 n 的函数绘制在一起,并用代表性的 TEM(A 和 C)/白光图像(B 和 D)显示所选作编号(n = 1、2、3、7 和 8,用解码箭头标记)对于 Aβ 1-40 涂层的 20 nm 金(A 和 B)和 20 nm 金胶体(C和 D)。黑色字体表示 pH 7,蓝色字体表示 pH 4,红色字体表示 pH 10。请单击此处查看此图的较大版本。

图 4:代表性白光和拉曼图像。 (A) n = 2 和 (B) n = 3 的白光图像、拉曼图像和 SERS 光谱;i) 宽视场中的白光图像,ii) 拉曼图像采集区域的白光图像(在 i) 中由红色方块标记),iii) 两个组件组合的拉曼图像,iv) 组件 1 的拉曼图像及其 v) sers 光谱 iv),vi) 组件 2 的拉曼图像, vii) vi) 的 SERS 谱。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 5:n奇数、n偶数和 nall 的 SERS 光谱等值线图。 (A) 250 cm-1 和 1750 cm-1 区域 SERS 光谱的三维图,作为 Aβ1-40 涂层 20 nm 金的 n 函数,顶部有 (B) 所示的等值线图。(C) 20 nm 金的 SERS 光谱在 250 cm-1 和 1750 cm-1 区域与 n 的函数关系,顶部为 (D) 所示的等值线图。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 6:SERS 光谱的等值线图。 SERS 光谱的等值线图与 n (1-10) 的函数关系。(A) 1395 cm-1(蓝色)和 761 cm-1(红色)处的吸光度。(B - D)底部面板显示 SERS 光谱,右侧面板显示每个 n 处 SERS 信号的信号强度变化幅度。请单击此处查看此图的较大版本。

图 7:Aβ1-40 的显着序列。 分配给在 n奇 数时显着参与的序列(对应于折叠构象的形成)由向下的红色箭头表示,分配给在 n偶 数时显着参与的序列(对应于未折叠构象的形成)由蓝色箭头表示。 请单击此处查看此图的较大版本。
视频 1:Aβ1-40 和 20 nm 裸金胶体的 pH 依赖性颜色变化。请点击此处下载此视频。
肽构象研究的一个关键考虑因素是样品维护,因为如果储存不当,样品会变质。肽样品以冻干形式接收,一旦用蒸馏去离子水再水化,即使储存在 -80 °C 下,它们也开始变性。 通过质量控制分析验证金胶体的纯度。为了保持胶体的稳定性,将它们储存在 4 °C 下,不要冷冻。每次实验都新鲜制备金胶体溶液,因为盐缓冲溶液会破坏金胶体的稳定性。为每个实验新鲜制备 HCl 和 NaOH 溶液。
使用精密仪器手动读取和记录溶液的 pH 值,同时将 pH 值在 4 到 10 之间变化,这限制了我们报告结果的精度。因此,我们没有观察到 SERS 信号强度的一致结果。这可能会给用于等值线图的振幅带来误差。未来验证与 n偶数或 n奇数相关的模式的工作可能会引入突变来替换我们报道的参与蛋白质构象变化的 Aβ 1-40 序列中的氨基酸,例如单个酪氨酸或天冬酰胺残基。
"Aβ1-40 单体与金表面之间的相互作用被认为是偶极相互作用,氢键水平由 H. Schmidbauer 等人在工作中假设55。在另一项工作中,我们研究了 SERS 光谱在酸性条件下作为 Aβ1-40 量的函数,它提取了纳米级依赖性吸附形成56。对于 20 nm 金,推测组氨酸 (His) 的 C=C 或 -C-N 键会引发吸附;然而,对于 80 nm 的金,苯丙氨酸 (Phe) 或酪氨酸 (Tyr) 的苯环呼吸模式到达金表面以引发吸附。在中性或碱性条件 (pH ~10) 下,Aβ1-40 在金表面上的吸附过程被认为可以保持 Aβ1-40 涂层金胶体的亲水性,因为在水性条件下没有形成沉淀。然而,在 pH 值为 4 时观察到沉淀物,这意味着聚集体是疏水性的。
TEM 图像和白光图像仅间接显示了聚集的证据。我们试图进行圆二色谱 (CD) 光谱,以将在可逆聚集中观察到的形态与二级结构相关联。然而,散射基线阻止了我们获得可重现的 CD 信号。因此,我们利用了拉曼光谱,更多地关注在 pH ~4 下发生聚集(Aβ1-40 的去折叠构象)或在 pH ~10 下发生解聚(Aβ1-40 的去折叠构象)时增强的模式。因此,在这项工作中识别二级结构的最佳推测仅限于监测与二级结构相关的节点。这在 1628 cm-1 处观察 β 片材中得到了证明,特别是在 pH 4 条件下。
本研究仅观察到直径为 20 nm 的金胶体的肽构象变化,并且只研究了 n 到 10 个。Aβ 1-40 肽的构象和聚集特性可以通过它们吸附到56 的颗粒大小来改变。因此,需要更多的工作来了解基于单体之间网络的肽的性质,以及受吸附表面物理特性影响的肽的性质。在我们测试的条件下,只有直径为 20 nm 的金胶体表现出聚集形态的可逆性,并且胶体直径如何影响该特性的可逆性的机制尚不清楚。将 n 增加到 20 可以更深入地了解聚集形态可逆性的模式依赖性程度。这些关于金胶体大小如何影响淀粉样蛋白 β 肽聚集的研究将为阿尔茨海默病病理学的分子机制提供重要见解。
作者声明他们与本作品没有利益冲突要披露。
KY 由 NSF-MRI Grant #2117780 支持。Geneseo 基金会支持该项目的初始阶段。AI 感谢纽约州立大学杰纳西奥化学系校友暑期研究奖学金('19 Rhodes 奖和 '20 Lipkowitz 奖)和德雷福斯基金会本科生暑期研究奖学金的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| β 淀粉样蛋白肽 1-40 (Aβ1–40肽) | r-肽 (Bogart, GA, USA) | A-1156-2 | |
| CCD数码相机 | AMT | XR-40 4百万像素CCD | |
| 来自 Milli-Q- 水系统的蒸馏去离子水 | Millipore Sigma(美国马萨诸塞州伯灵顿) | Milli-Q IQ 7000 | |
| 冰箱 -86 oC | Thermo Scientific | Revco Chilly Willy RLE系列单元ID 187004 版本号40.04 | |
| 胶体(10 nm) | Ted Pella, Inc.(美国加利福尼亚州雷丁市 | 15703-20 | |
| 胶体(100 nm) | Ted Pella, Inc.(美国加利福尼亚州雷丁市) | 15711-22 | |
| 胶体(15 nm) | Ted Pella, Inc.(美国加利福尼亚州雷丁市) | 15704-20 | |
| 胶体(20 nm) | Ted Pella, Inc.(美国加利福尼亚州雷丁市) | 15705-20 | |
| 金胶体 (30 nm) | Ted Pella, Inc. (美国加利福尼亚州雷丁市) | 15706-21 | |
| 金胶体 (40 nm) | Ted Pella, Inc. (美国加利福尼亚州雷丁市) | 15707-21 | |
| 金胶体 (50 nm) | Ted Pella, Inc. (美国加利福尼亚州雷丁市) | 15708-21 | |
| 金胶体 (60 nm) | Ted Pella, Inc. (美国加利福尼亚州雷丁市) | 15709-22 | |
| 金胶体 (80 nm) | Ted Pella, Inc. (美国加利福尼亚州雷丁市) | 15710-22 | |
| 最高等级 V1AFM 云母盘 10 毫米 | Ted Pella Inc. | #50 | |
| 盐酸标准溶液,1.0 N | Fluka | 批次# SHBB4705V 318949-2L | |
| 微距石英 quvette 光路 10 毫米 | Fire Fly Science | 类型1-MC-Path10mm | |
| 微量 pH 电极 | HORIBA | 型号 9618S (制造商编号 9Y8E0050) | |
| 峰值拟合程序 | (美国马萨诸塞州北安普敦) | 原产地Pro2018b (64 位) b9.5.5.409 (学术级) | |
| pH 4.00 缓冲溶液 | VWR | 货号 34170-127 | |
| pH 7.00 缓冲溶液 | Fisher Chemical | SB107-4 批量191041 | |
| pH计 | HORIBA | 型号 F-72G (制造商编号 B27M0017) | |
| 移液器吸头 Maxi Tips 1–5 mL | 费希尔 | 02-707-467 | |
| 移液器吸头 10 mL | Fisher | 02-717-135 | |
| 移液器吸头 1000 mL | Fisher | 02-717-156 | |
| 移液器吸头 1–200 | Fisher | 02-717-143 | |
| Pipetter Fisher品牌Elite 0.5–5 mL | Fisher | QU05317 | |
| 移液器 Fisher Brand Elite 100–1000 mL | Fisher | QU01672 | |
| 移液器 Fisher Brand Elite 10–100 mL | Fisher | MU10985 | |
| 移液器 Fisher Brand Elite 1–10 mL | Fisher | MU08178 | |
| 氧化钠溶液 1.0 M | Fluka | 批次#05096BPV 319511-2L | |
| TEM | FEI Co | Morgagni 型号 268 | |
| TempAssure PCR 管,平盖,自然色 | USA Scientific | 聚丙烯。0.2 mL 独立薄壁管,带磨砂平盖 | |
| UV-Vis-NIR 分光光度计 | Varian | CARY 5000 UV1106M074 | |
| WI Tec alpha300R 共聚焦拉曼显微镜 | WITec-Oxford 仪器 | XMB3000-3001 |
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