ここでは、アミロイドβ 1-40(Aβ 1-40)被覆された20 nm金凝集体の準可逆的自己組織化を記述する体系的な方法を紹介します。ペプチド間のナノサイズ依存性の準可逆的ネットワークは、特定のアミノ酸またはAβ 1-40モノマーの切片と相関していました。
方法論記事
ここでは、アミロイドβ 1-40(Aβ 1-40)被覆された20 nm金凝集体の準可逆的自己組織化を記述する体系的な方法を紹介します。ペプチド間のナノサイズ依存性の準可逆的ネットワークは、特定のアミノ酸またはAβ 1-40モノマーの切片と相関していました。
ナノ金コロイド粒子表面上にコーティングされたAβ1-40の特性評価は、表面プラズモン共鳴(SPR)分光法および透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて行った。Aβ 1-40コーティングされた20 nm金粒子のSPRバンドのpH依存性シフトは、TEM画像で観察された凝集と脱凝集の交互と相関していました。pHが~4の場合、金表面にアンフォールドコンフォメーションが誘導され、pHが~10の場合、金表面にAβ1-40のフォールデッドコンフォメーションが誘導されました。この可逆的な凝集過程は、pHがpH 4からpH 10に徐々に変化したため、ラマンイメージングによって観察されました。金表面のAβ1-40ではpH依存的な形態変化が観察され、pH4では透明な凝集体が観察されました。しかし、pH 4 と pH 10 の条件では、表面増強ラマン分光法 (SERS) スペクトルに非常に微妙な違いが見られ、最も顕著な違いは 250 cm-1 と 1750 cm-1 の領域のスペクトル密度でした。具体的には、可逆凝集体のモード解析により、凝集体はチロシンとフェニルアラニンのベンゼン環部分が関与するAβ1-40の展開構造によって形成されたことが示されました。逆に、凝集体の分解は、ヒスチジン、グルタミン、メチオニン、およびアスパラギン酸が関与するAβ1-40のタンパク質フォールディングの立体構造変化と関連していました。
アミロイドβ1-40(Aβ 1-40)または1-42(Aβ 1-42)ペプチドの線維形成は、アルツハイマー病の原因であるアミロイド斑の形成における重要な成分として広く研究されています1,2,3,4,5,6,7,8,9,10、11。線維化における主要なメカニズムは、Aβ 1-40またはAβ 1-42ペプチドのオリゴマー化による神経毒性タンパク質凝集体の形成であり、モノマーがオリゴマーを形成するメカニズムを理解するために広範な研究が行われてきた12,13,14.我々は、ナノ金表面上に凝集体を形成するアミロイド産生ペプチドを調べ、金表面から離れているペプチド間のネットワークに関与する因子を特定するアプローチをとった15,16,17,18,19,20,21,22。
Aβ1-40は、酸性条件(pH~4)では折り畳まれていない立体配座(A)、塩基性条件(pH~10)では折り畳まれた立体配座(B)を採用しています。pH~10で分散したAβ1-40被覆金コロイド粒子を観察し、pH~4で大きなAβ1-40被覆金コロイド凝集体を観察しました(図1)23,24。酸性条件下でのAβ1-40のアンフォールドコンフォメーションは、金ナノ粒子表面よりもAβ1-40モノマー間のペプチドネットワークに有利に働き、金コロイド凝集体が形成されます(図1のAを参照)。Aβ 1-40モノマーが折り畳まれたコンフォメーションを塩基性または中性のpH(Aβ 1-40)で保持すると、モノマーは凝集体にネットワーク化されず、コーティングされた金ナノ粒子は個々の分散粒子として残ります(図1のBを参照)。したがって、Aβ 1-40ペプチドがネットワークにコンフォメーション変化を起こし、凝集体を形成する過程を、pH条件25,26,27,28,29,30,31の範囲でSPRバンドシフトを測定することで調査することができる。
いくつかの異なるサイズの金ナノ粒子を試験したところ、20 nmの金コロイドは、pHの外部変化に応答して、Aβ 1-40モノマーの最も顕著な可逆的自己組織化プロセスを示すことがわかりました(図2)。これは、酸性条件(A)がアンフォールドコンフォメーションを誘発し、ネットワークを強化し、金コロイドの凝集につながる、ペプチドコンフォメーションの可逆的な変化を明確に示しています。塩基性条件(B)は、モノマー26,27,28,29,30,31の折り畳み構造を誘導することがわかった。
1. Aβ 1-40被覆金ナノ粒子の調製
2. 反復的なpH変化と対応するSPRバンドシフトのモニタリング
。
(pH)を抽出します。
(1)
を表にし、n を
対 n とします。~pH 7 で酸を添加する前のサンプルの操作番号 n を 1 にします。HClではpHを~pH4に、NaOHではpHを~pH10に変更し、その都度1ずつ操作回数を1ずつ増やします。nを酸性条件(~pH 4)で偶数にし、奇数を基本条件(pH 10)にします。
(n) = λ(n) を式30 を使用して分析します
(2)3. ラマンイメージングと可逆的凝集体の探索
Aβ1-40が金ナノコロイド粒子表面に付着すると、溶液をより酸性にすると(pH 4)、吸収最大波長530 nm付近のSPRバンドが~650 nmのピーク位置に有意に赤方偏移した(pH 4)35。TEM画像と合わせて、pH 4で観察された分光学的特徴は、金表面30に吸着した周囲の展開されたAβ1-40モノマーともっともらしく折り畳まれたコンフォメーションとネットワークを持つ金コロイド凝集体の形成に対応することを同定した。その結果、塩基性(pH 10)条件下では、Aβ 1-40モノマーが折り畳まれた構造に戻ると、凝集体が準可逆的に変形することが観察されました。この準可逆的なプロセスは、短い波長と長い波長の間でシフトする平均バンドピーク(
(n))の交代と、TEM画像の塩基性(pH = 10)条件と酸性(pH = 4)条件の間の分散形態と凝集体形態の交代から明らかでした。Aβ 1-40モノマーの一部は、溶液を塩基性条件に戻した後でも展開したままであることが以前に観察されている36。動画1は、Aβ 1-40および20 nmの裸金コロイドのpH依存性の色変化を示しています。
比較として、20 nmの裸の金コロイドのpHホップ調査を実施しました(図5CおよびD)。pH変化操作が進むにつれて、SPRバンドショフト、TEM画像、白色光画像における金コロイドのクラスター化の成長が見られました。非常に興味深いことに、n奇数とn偶数のいずれかに依存するいくつかのSERSスペクトル線がありました。例えば、neven(pH ~4)では、Aun(n = 5, 6, 12, 16, 20, 58)37またはAu-Cl-配位子38のモードに関連するモードとして割り当てられた275 cm-1の線が集中的に観察された。一方、nについても、1008cm-1ではC-Nstr39とCH2wag39、1291cm-1ではCH2変形40が広範囲に観察された。
白色光イメージングによって観察された明確なpH依存性および可逆的な凝集形態とは対照的に、SERSスペクトルのスペクトル特徴には、n奇数 とn偶数の間で比較的微妙な違いがありました。最初の近似として、250 cm-1 と 1750 cm-1 の間の領域のスペクトル線密度は、n奇数 n 奇数の方が n偶数よりも高かった。フィンガープリント領域のスペクトル線、1250 cm-1 および 1750 cm-1 (Amide I、II、III バンド) の n奇数 では、スペクトル特性の分解能が低く、スペクトル密度が広がっているか、または増加していることを示唆しています。 図6では、 図5B (図6B)に示す等高線図は、761 cm-1 (赤)と1395 cm-1 (青)のSERS信号で構成され、それぞれn奇数 とn偶数(図6C)の強調を表しています。n奇数 とn偶数の代表的なSERSスペクトルとして、n = 7(赤)とn = 4(青)のSERSスペクトルを上部に示します(図6A)。Aβ1-40 コーティングされた 20 nm 金の SPR バンドシフトへの対応を示すために、 図 3 のバンドシフトプロットを側面に示します (図 6D)。
観測されたSERSスペクトルの完全な割り当てに関する予備データがありますが、ここではいくつかの注目すべきラマンシフトの特徴に注目しています。n奇数で強化されたスペクトル線と(もっともらしい割り当て)は、主に1000 cm-1未満の領域にあります:394 cm-1 (Trp)41,42,43, 761 cm-1 (His, Ala)39,44,45,46,47, 875 cm-1 (インドールNH変位、MetのC-Cストレッチ)39, 974 cm-1 (Glu, C-COO-Aspの伸張、クエン酸塩に関連するモード)39,48,49。1166 cm-1 (N-H+ Tyr の変形)39,41, 1227 cm-1 (Ala-Pro-Gly, Amide III)39,50,51, 1395 cm-1 (COO- 対称延伸または CH2- CH3- Glu のはさみ)39,48, 1585 cm-1 (Pheの環CC延伸、カルボン酸-Auの不斉延伸、クエン酸のCOO伸張、ベンゼン環の変形)39,41,45,46,47,49,52, 1592 cm-1 (TyrのPhe、Tyr、C=C延伸、Pheの環のCC延伸、ベンゼン環延伸とCOO-PheおよびTyrでの延伸、およびOH)39,41,48,50,51、および1628 cm-1(分子間βシート構造53、C = Oおよび平行βシート型構造に由来するタンパク質骨格の結合CN / NH振動モードに特有のアミドIサブピーク、凝集Aβ54の蓄積、ランダムコイル、βターン、 βヘアピン48。n奇数または n偶数に対して現れるシーケンスを図 7 に示します。全体として、Aβ 1-40、Phe/Tyr含有ベンゼン環の可逆的凝集またはアンフォールド立体配座に対応するnであっても、COO−の対称延伸、GluのCH2−CH3−シザリングモード、およびTyrの−NH+変形がペプチドの立体配座変化に有意に関与していた。ペプチドがn奇数で顕著なモードに対応する折り畳まれたコンフォメーションを採用したときに観察された凝集体の分解中に、Glu、Asp、Met、His、およびAlaが関与しているように見えました。

図1:pH依存性の吸光度と形態。Aβ 1-40被覆金ナノ粒子(20 nm)のpH 4(A)およびpH 10(B)での吸収スペクトル、および対応するTEM画像、凝集/分散粒子のスケッチ、およびバイアル内の溶液の写真を示します。Aは酸性条件下でのAβ1-40モノマーの展開配座、Bは塩基性条件下での折り畳まれた配座です。各コンフォメーションおよび凝集/分散形態におけるAβ 1-40モノマーの図をTEM画像の隣に示しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:ナノサイズ依存性の自己組織化可逆性。 すべてのテスト済みサイズの金コロイド粒子について、SPRバンドの平均ピーク位置
を操作番号nの関数としてシフト。 図1 に示されている凝集体のおおよそのpH値と対応するステージも示されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:各操作番号の
画像とTEM/白色光画像。操作番号nの関数としての
は、Aβ 1-40コーティングされた20 nm金コロイド(閉じた円)と20 nm金コロイド(白丸)について一緒にプロットされ、Aβ 1-40コーティングされた20 nm金(AおよびB)および20 nm金コロイド(C)の選択された操作番号(n = 1、2、3、7、および8)で代表的なTEM(AおよびC)/白色光画像(BおよびD)で示されていますおよびD)。黒のフォントはpH 7、青のフォントはpH 4、赤のフォントはpH 10を示します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:代表的な白色光とラマンイメージ。 白色光イメージ、ラマンイメージ、および (A) n = 2 および (B) n = 3 の SERS スペクトル。i) 広視野の白色光像、ii) ラマン像が収集された領域の白色光像 (i) の赤い四角でラベル付け)、iii) 2 つの成分を組み合わせたラマン像、iv) 成分 1 のラマン像とその v) iv) iv) の SERS スペクトル、vi) 成分 2 のラマン像、 vii)vi)のSERSスペクトル この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:n奇数、n偶数、n個のSERSスペクトルの等高線図(A)Aβ1-40コーティングされた20nm金のnの関数としての250cm-1および1750cm-1の領域のSERSスペクトルの3次元マップと、上部に(B)に示す等高線図。(C)20nm金のnの関数としての250cm-1および1750cm-1の領域のSERSスペクトルの3次元マップと、上部に(D)に示す等高線マップ。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6:SERSスペクトルの等高線図。 n (1-10) の関数としての SERS スペクトルの等高線図。(A)1395 cm-1(青)および761 cm-1(赤)での吸光度。(B-D)下のパネルはSERSスペクトルを示し、右側のパネルは各nでのSERS信号の信号強度変化の振幅を示しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図7:Aβ1-40の注目すべき配列。 n奇数 で有意に関与している(折り畳まれた立体配座の形成に対応)と割り当てられた配列は下向きの赤い矢印で示し、n偶数 で有意に関与していると割り当てられた配列(展開された立体配座の形成に対応)は青矢印で示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
ビデオ1:Aβ1-40および20 nmの裸の金コロイドのpH依存性の色変化。このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
ペプチドのコンフォメーションの研究において重要な考慮事項は、不適切に保存されたサンプルが劣化するため、サンプルのメンテナンスです。ペプチドサンプルは凍結乾燥された形で受け取り、蒸留脱イオン水で再水和すると、-80°Cで保存した場合でも変性が始まりました。 金コロイドの純度は、品質管理分析によって検証されました。コロイドの安定性を維持するために、コロイドは4°Cで保存され、凍結はされませんでした。金コロイド溶液は、塩緩衝液が金コロイドを不安定にするため、実験ごとに新鮮に調製されました。HClおよびNaOH溶液は、各実験で新鮮に調製しました。
pHを4〜10の間で変更しながら、繊細な機器で溶液のpHを手動で読み取り、記録するという技術的な課題により、報告された結果の精度が制限されます。したがって、SERS信号の強度に一貫した結果は観察されませんでした。これにより、等高線プロットに使用された振幅に誤差が生じた可能性があります。n個の偶数またはn個の奇数に関連するモードを検証するための将来の研究では、単一のチロシン残基やアスパラギン残基など、タンパク質の立体構造変化に関与していると報告されているAβ1-40配列のアミノ酸を置換する突然変異が導入される可能性があります。
「Aβ1-40 モノマーと金表面との相互作用は双極子相互作用と考えられており、水素結合のレベルはH. Schmidbauerらの研究で仮説立てられました。55。別の研究では、酸性条件下でのAβ1-40 の量の関数としてSERS分光法を調査し、ナノサイズ依存の吸着形成56を抽出しました。20 nmの金の場合、ヒスチジン(His)のC = Cまたは-C-N結合が吸着を開始すると推測されました。しかし、80 nmの金の場合、ベンゼン環呼吸モードのフェニルアラニン(Phe)またはチロシン(Tyr)が金表面に到達して吸着を開始しました。Aβ1-40 を中性または塩基性条件(pH~10)で金表面に吸着させると、Aβ1-40 被覆金コロイドは水溶液中に沈殿物が形成されないため、親水性を維持すると考えられていました。しかし、沈殿物はpH 4で観察され、凝集体が疎水性であったことを示唆しています。
TEM画像と白色光画像は、間接的に凝集の証拠を示しているだけです。私たちは、可逆的凝集体で観察された形態と二次構造を相関させるために、円二色性(CD)分光法の実施を試みました。しかし、ベースラインが散乱しているため、再現性のあるCD信号を得ることができませんでした。したがって、代わりにラマン分光法を利用し、pH ~4 で凝集 (Aβ1-40 のアンフォールドコンフォメーション) が起こったとき、または pH ~10 でディスアグリゲーション (Aβ1-40 のアンフォールドコンフォメーション) が起こったときに増強されるモードにさらに焦点を当てました。したがって、この研究で二次構造を特定するための最良の推測は、二次構造に関連するノードを監視することに限られていました。これは、特にpH 4条件下での1628 cm-1でのβシートの観察で実証されました。
この研究では、直径20 nmの金コロイドのペプチドコンフォメーションの変化のみを観察し、n〜10nmのみを調査しました。Aβ 1-40ペプチドの立体配座および凝集特性は、それらが吸着する粒子のサイズによって56変化する可能性がある。したがって、モノマー間のネットワークに基づくペプチドの特性と、吸着表面の物理的特性の影響を受けるペプチドの特性を理解するには、さらに多くの研究が必要です。私たちがテストした条件下では、直径20 nmの金コロイドのみが凝集形態の可逆性を示し、コロイドの直径がこの特性の可逆性にどのように影響するかのメカニズムはわかっていません。n を 20 まで増やすと、凝集形態の可逆性のモード依存度について、より多くの洞察が得られる可能性があります。金コロイドのサイズがアミロイドβペプチド凝集にどのように影響するかについてのこれらの研究は、アルツハイマー病の病理学の分子メカニズムに関する重要な洞察をもたらすでしょう。
著者は、この作品と利益相反が開示されていないことを宣言します。
K.Y.はNSF-MRI Grant #2117780の支援を受けています。ジェネセオ財団は、このプロジェクトの初期段階を支援しました。A.I.は、SUNY Geneseo Chemistry Department Alumni Summer Research Scholarship('19 Rhodes Awardおよび'20 Lipkowitz Award)とDreyfus Foundation Undergraduate Summer Research Scholarshipの支援に感謝しています。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アミロイドβペプチド1-40(A&β;<サブ>1–40ペプチド) | r-ペプチド(米国ジョージア州ボガート) | A-1156-2 | |
| CCDデジタルカメラ | AMT | XR-40 4メガピクセルCCD | |
| Milli-Q-水システム | Millipore Sigma(米国マサチューセッツ州バーリントン) | Milli-Q IQ 7000 | |
| 庫-86oC | Thermo Scientific | Revco Chilly Willy RLEシリーズ ユニットID 187004 ビルド番号 40.04 | |
| 金コロイド (10 nm) | Ted Pella, Inc. (米国カリフォルニア州レディング) | 15703-20 | |
| 金コロイド (100 nm) | Ted Pella, Inc. (米国カリフォルニア州レディング) | 15711-22 | |
| 金コロイド (15 nm) | Ted Pella, Inc. (米国カリフォルニア州レディング) | 15704-20 | |
| 金コロイド (20 nm) | Ted Pella, Inc. (米国カリフォルニア州レディング) | 15705-20 | |
| 金コロイド (30 nm) | Ted Pella, Inc. (米国カリフォルニア州レディング) | 15706-21 | |
| 金コロイド (40 nm) | Ted Pella, Inc. (米国カリフォルニア州レディング) | 15707-21 | |
| 金コロイド (50 nm) | Ted Pella, Inc. (米国カリフォルニア州レディング) | 15708-21 | |
| 金コロイド (60 nm) | Ted Pella, Inc. (米国カリフォルニア州レディング) | 15709-22 | |
| 金コロイド (80 nm) | Ted Pella, Inc. (レディング、カリフォルニア州、米国) | 15710-22 | |
| 最高級V1AFMマイカディスク 10 mm | Ted Pella Inc. | #50 | |
| 酸標準液、1.0 N | フルカ | ロット#SHBB4705V 318949-2L | |
| マクロクォーツクォーツ クベット 光路 10 mm | ホタル科学 | Type1-MC-Path10mm | |
| マイクロpH電極 | HORIBA | Model 9618S (MFG No. 9Y8E0050) | |
| Peak Fit Program | Origin (Northampton, MA, USA) | OriginPro2018b (64-bit) b9.5.5.409 (Academic) | |
| pH 4.00 緩衝液 | VWR | Cat No. 34170-127 | |
| pH 7.00 緩衝液 | フィッシャーケミカル | SB107-4ロット191041 | |
| pHメーター | 堀場製作所 | モデルF-72G(MFG番号B27M0017) | |
| ピペットのヒント マキシのヒント1–5mL | フィッシャー | 02-707-467 | |
| ピペットチップ 10mL | フィッシャー | 02-717-135 | |
| ピペットチップ 1000mL | フィッシャー | 02-717-156 | |
| ピペットチップ 1–200 mL | フィッシャー | 02-717-143 | |
| ピペッター フィッシャー ブランド エリート 0.5–5 mL | フィッシャー | QU05317 | |
| ピペッター フィッシャー ブランド エリート 100–1000 mL | フィッシャー | QU01672 | |
| ピペッター フィッシャー ブランド エリート 10–100 mL | ッシャー | MU10985 | |
| ピペッターフィッシャーブランドエリート1–10 mL | Fisher | MU08178 | |
| 水酸化ナトリウム溶液 1.0 M | Fluka | Lot#05096BPV 319511-2L | |
| TEM | FEI Co | Morgagni モデル 268 | |
| TempAssure PCRチューブ、フラットキャップ、ナチュラル | USA Scientific | ポリプロピレン 0.2 mL の個別薄肉チューブ、つや消しフラットキャップ付き | |
| UV-VIS-NIR 分光光度計 | Varian | CARY 5000 UV1106M074 | |
| WI Tec alpha300R 共焦点ラマン顕微鏡 | WITec-Oxford Instrument | XMB3000-3001 |
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