发布日期：2022-05-31
水木视界iss.7丨基于冷冻电镜的神经退行研究
水木视界iss.7丨基于冷冻电镜的神经退行研究
发布日期：2022-05-31 13:09
神经退行性疾病指那些进展缓慢且无法治愈、严重影响患者身体和精神的衰弱性疾病。痴呆症是神经退行性疾病最常见的症状，其特征是记忆丧失和认知及语言能力下降。根据全球脑健康研究所和世界卫生组织的数据，到2030年，全球痴呆症的预计治疗费用将增加到2万亿美元，到2050年，痴呆症患者的数量预计将增加两倍，达到1.5亿。由于疏于预防并缺乏有效的治疗，神经退行是一个迫在眉睫的全球健康问题。
神经退行性疾病中的蛋白质聚集体
阿茨海默症、帕金森症和亨廷顿症是常见的神经退行性疾病，他们具有神经元死亡加速和大脑功能连接丧失的特点。这些神经退行性疾病共同的组织病理学标志是由特定的毒性蛋白产生的长纤维和斑块，它们在患者大脑中形成大的蛋白聚集体。例如，淀粉样斑块和涛蛋白丝是阿茨海默病患者大脑中的独特结构，其中异常的淀粉样ß蛋白在细胞外空间聚集，涛蛋白在神经元上聚集。在亨廷顿病患者中，突变的亨廷顿蛋白形成复杂的聚集物，而在帕金森病患者中，ɑ-synuclein聚集体在神经元中聚集并形成路易体。
涛蛋白@Jawahar Swaminathan and MSD staff at the European Bioinformatics Institute
蛋白质聚集和神经退行之间的联系仍然不清楚，且受到争议。一般来说，蛋白质的结构和功能是相关的。通过了解这些蛋白质聚集物的结构特征，科学家们可以了解它们如何形成，如何与细胞环境相互作用，以及如何改变大脑功能。利用结构生物学工具，研究人员开始以原子分辨率解开蛋白质聚集体的结构特征，以确定它们在脑组织中的病理学。
神经退行性疾病的结构生物学研究
目前有几种结构生物学技术可以解决三维蛋白质结构：如X射线晶体学、核磁共振和冷冻电镜（cryo-EM）。通过这些技术，结构生物学家能够以原子级分辨率对分子进行成像，突破传统方法的分辨率极限。
自1953年首次使用以来，X射线晶体学一直是结构生物学研究中的一个主流方法。研究人员对目的蛋白进行纯化和结晶，并使用X射线生成原子级分辨率的蛋白质分子图像。这些图像提供了诸如界面结构、化学键、结合点和蛋白质的相互作用等信息。然而，生成高质量的晶体是具有挑战性的，而且目前无法对丝状或缠结形式的复杂蛋白质聚合体进行结晶。在这种情况下，核磁共振波谱法为不适合结晶的蛋白质结构解析提供了替代方法。
然而，核磁共振方法仅限于分子量低于50kDa的蛋白质，所以它并不适合解析大分子量的蛋白质聚集体，如在神经退行性疾病中发现的那些：例如，研究人员采用核磁共振波谱来确定涛蛋白的结构，但该方法并不适用于分子量大且结构复杂的涛蛋白缠结。最近，冷冻电镜的发展促进了对大分子蛋白质的结构解析。使用冷冻电镜的科学家们在成像前无需对蛋白质进行结晶，而是将蛋白质溶液快速冷冻成玻璃状的水合状态。在样品进入电镜后，一束加速的电子就会击中蛋白质样品。这时，蛋白质分子会散射电子，从而产生显示蛋白质的原子组成和排列的图像。
更大的样品成像区域，更好的电子捕获探测器，以及更快的图像处理：种种优势表明冷冻电镜是在神经退行性疾病研究中观察并解析复杂蛋白质结构的理想选择。结构解析对于了解蛋白质如何工作，在疾病中蛋白质为何失常，以及后续的靶点成药性筛选是非常有用的。神经退行性疾病的研究人员受益于冷冻电镜革命，发现了许多在神经退行性疾病中错误折叠的蛋白原子结构，如涛蛋白丝、ɑ-synuclein纤维、淀粉样ß聚合体，以及与这些蛋白聚合体结合的小分子候选药物。
观察阿茨海默症的大脑
阿茨海默症患者大脑中斑块的形成和神经退行@Thermofisher
细胞外的淀粉样β蛋白在阿尔茨海默病患者的大脑中形成高度不溶性、密集的丝状物。这些蛋白质聚集成长纤维，形成斑块的组成部分。斑块积聚在神经元之间，破坏了大脑功能。这些信息有助于解释阿尔茨海默病的病理生理学。冷冻电镜使研究人员能够了解淀粉样斑块的结构特征以及它们是如何形成的。
下载来自赛默飞世尔科技和The Scientist的完整电子书，了解冷冻电镜的进步如何使研究人员能够确定蛋白质聚合体的原子结构并推进神经退行性疾病的研究。
转载自: The-Scientist
"Revolutionizing Neurodegeneration Research with Cryo-EM"
水木视界丨iss. 7
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