神经退行性疾病相关蛋白病理性聚集和液液相分离研究进展.pdf
《神经退行性疾病相关蛋白病理性聚集和液液相分离研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《神经退行性疾病相关蛋白病理性聚集和液液相分离研究进展.pdf(21页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023 年 第 4 卷 第 3 期|Synthetic Biology Journal 2023,4(3):590-610神经退行性疾病相关蛋白病理性聚集和液液相分离研究进展唐一鸣,姚逸飞,杨中元,周运,王子超,韦广红(复旦大学物理学系,表面物理国家重点实验室,计算物质科学教育部重点实验室,上海 200438)摘要:蛋白质的错误折叠和聚集与一系列神经退行性疾病密切相关,比如阿尔茨海默病、帕金森病等,其主要病理特征是以蛋白质异常聚集形成的淀粉样纤维为主要成分的包涵体。近期研究表明疾病相关蛋白大多能够发生液液相分离,形成动态可逆的液态凝聚物(亦称无膜细胞器),并参与细胞生理过程,而突变、翻译后修
2、饰以及微环境等因素则能促进其发生不可逆液固相变形成病理性纤维。本文以几种神经退行性疾病相关蛋白为例,重点介绍蛋白质病理性聚集和液液相分离的实验研究方法和前沿进展,蛋白质相互作用、聚集和相分离微观机理的理论和计算研究,以及预测蛋白相分离能力的机器学习方法。这些研究对深入理解蛋白质病理性聚集、相变和相分离的微观机制,以及相关疾病致病机理具有重要的科学意义,并对治疗药物的设计和开发具有潜在应用价值。关键词:神经退行性疾病;病理性聚集;纤维化;液液相分离;蛋白质相互作用;微观机理中图分类号:Q816 文献标志码:A Pathological aggregation and liquid-liquid
3、phase separation of proteins associated with neurodegenerative diseasesTANG Yiming,YAO Yifei,YANG Zhongyuan,ZHOU Yun,WANG Zichao,WEI Guanghong(Department of Physics,State Key Laboratory of Surface Physics,and Key Laboratory of Computational Physical Sciences(Ministry of Education),Fudan University,S
4、hanghai 200438,China)Abstract:Protein misfolding and aggregation are closely related to the development of neurodegenerative diseases.Their main pathological hallmark is protein inclusion bodies,whose major components are amyloid fibrils formed by abnormal protein aggregation.For example,Alzheimers
5、disease is related to the amyloid plaques formed by-amyloid proteins and the neurofibrillary tangles formed by tubulin-associated unit(tau)proteins.The pathological feature of Parkinsons disease is Lewy bodies formed by aggregation of-synuclein.In addition,recent studies have shown that a majority o
6、f neurodegenerative disease-related proteins including Tau,-synuclein,and TDP-43 can undergo liquid-liquid phase separation to form liquid condensates or membrane-free organelles.These condensates are involved in a 收稿日期:2023-01-12 修回日期:2023-03-28基金项目:国家自然科学基金(12074079)引用本文:唐一鸣,姚逸飞,杨中元,周运,王子超,韦广红.神经退
7、行性疾病相关蛋白病理性聚集和液液相分离研究进展 J.合成生物学,2023,4(3):590-610Citation:TANG Yiming,YAO Yifei,YANG Zhongyuan,ZHOU Yun,WANG Zichao,WEI Guanghong.Pathological aggregation and liquid-liquid phase separation of proteins associated with neurodegenerative diseases J.Synthetic Biology Journal,2023,4(3):590-610DOI:10.122
8、11/2096-8280.2023-005特约评述第 4 卷 number of cellular physiological processes,such as regulating signal transduction.Pathological fibrosis and liquid-liquid phase separation are two forms of protein aggregation,and protein liquid-liquid phase separation may be a driving force for misaggregation and fibr
9、osis.Disease-related mutations,post-translational modifications including truncations,acetylations,and phosphorylations,and microenvironments such as pH,ion strength,and temperature can promote or inhibit liquid-solid phase transitions and the formation of pathological fibrils.Uncovering molecular m
10、echanism underlying pathological protein aggregation and liquid-liquid phase separation is crucial to understanding the pathogenic process and developing effective therapeutic drugs as well.This review focuses on recent progress in experimental and computational studies on the pathological aggregati
11、on and liquid-liquid phase separation of neurodegenerative disease-related proteins,including -amyloid,-synuclein,TDP-43,tau,and FUS proteins.We briefly introduce the application of experimental methods(nuclear magnetic resonance,X-ray diffraction,and cryo-electron microscopy)for studying protein ag
12、gregation and determining fibril structure with cutting-edge techniques(differential interference contrast and fluorescence recovering after photobleaching)to explore protein phase separation.Advances in the conformational ensemble of proteins using enhanced sampling methods such as replica-exchange
13、 molecular dynamics simulations,and studies of the phase behavior of proteins using field-theoretic simulation and multiscale simulations are summarized.Machine learning in predicting protein phase separation ability is also addressed.Keywords:neurodegenerative diseases;pathological aggregation;fibr
14、illization;liquid-liquid phase separation;protein-protein interactions;molecular mechanism蛋白质是生物功能的主要执行者,它们通过折叠成特定的空间结构来发挥生理功能,但在一定的条件下会发生错误折叠和聚集并导致疾病。神经退行性疾病就是一类以蛋白质异常相互作用和聚集为病理特征的疾病,如阿尔茨海默病与淀粉样蛋白(amyloid-,A)形成的淀粉样斑块以及微管相关蛋白(tubulin associated unit,Tau)异常聚集而形成的神经纤维缠结有关1;帕金森病591合成生物学 第 4 卷的病理特征是-突触核
15、蛋白(-synuclein,Syn)聚集成的路易小体2;肌萎缩侧索硬化症与TDP-43蛋白包涵体有关3。除此之外,最新研究表明:很多神经退行性疾病相关蛋白(包括 Tau4、Syn5、TDP-436)亦能发生液液相分离并组装成液态凝聚物(在体内被称为无膜细胞器),进而发挥调控信号传导和异染色质转录等生理功能7。病理性纤维化与液液相分离是蛋白质聚集的两种形式,蛋白质液液相分离可能是下一步错误聚集和纤维化的驱动力8-9。在细胞微环境(如pH、温度)改变或氨基酸突变等情况下,蛋白质液态凝聚物会进一步发生液-固相变,形成病理性纤维10。表1列出了部分能发生纤维化和/或相分离的神经退行性疾病相关蛋白。研究
16、蛋白质分子间相互作用以及聚集的微观机理,对于进一步理解蛋白质的生理功能和病理过程,以及相关疾病的药物研发具有非常重要的科学意义和应用价值。目前对于神经退行性疾病相关蛋白的毒性机理和纤维化机制已经有广泛和深入的研究。利用X射线衍射、核磁共振、冷冻电镜等实验方法,研究人员解析出了大量蛋白的纤维结构,它们具有cross-的结构特征,即由主链间氢键稳定的折叠结构。多种实验方法已经被用来表征蛋白质的纤维形貌和纤维化过程28;计算模拟被用来研究纤维的热力学性质、揭示蛋白-蛋白以及纤维-抑制剂之间的相互作用机理29-30。与此相比,蛋白质液液相分离微观机制的研究尚处于起步阶段。目前普遍认为蛋白质固有无序区域
17、之间的多价相互作用是相分离的主要驱动力31-32,但对于凝聚物内部的蛋白构象特征、蛋白-蛋白、蛋白-RNA之间的相互作用模式等,尚知之甚少。本文将以神经退行性疾病相关蛋白为切入点,综述它们病理性聚集和液液相分离的前沿进展,介绍表征蛋白质聚集体形貌和空间结构的实验手段,研究蛋白质相互作用、聚集和相分离微观机理的理论和计算方法,以及预测相分离能力的机器学习方法。1 神经退行性疾病相关蛋白病理性聚集的实验研究方法为了理解神经退行性疾病的病理过程,揭示相关蛋白病理性聚集的物理机制,国内外实验工作者已经开展了大量研究,包括解析纤维的空间结构和形貌、表征纤维化的动力学过程等。表2列出了主要实验方法(主要包
18、括谱学方法和显微方法两大类)以及它们各自的适用范围。圆二色谱法(circular dichroism spectroscopy,即CD谱)33和傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)34等谱学方法常用来测定蛋白质链中的二级结构含量。这些方法具有操作简便、测定时间短等优点,但不能表征二级结构在蛋白质链上的分布。根据核磁共振方法(nuclear magnetic resonance,NMR)测得的特定原子化学位移,可以得到每个氨基酸形成的二级结构类型46。跟踪荧光强度的时间演化是实验表征蛋白质纤维化过程以及抑制剂分子干预的主要手段
19、,如 ThT 荧光光谱法(ThT fluorescence spectroscopy,ThT-FS)35。例如根据在Tau255-411溶液中加入硫酸化的肝素后的 ThT信号的增长速度快慢,判定肝素对 Tau 蛋白片段的纤维化的影表表1代表性神经退行性疾病相关蛋白的聚集和相分离能力Table 1Aggregation and phase separation of proteins associated with neurodegenerative diseases蛋白质淀粉样蛋白(-amyloid)微管相关蛋白(Tau)普里昂蛋白(Prion)-突触核蛋白(-synuclein)反式激活核酸
20、结合蛋白-43(TDP-43)融合肉瘤蛋白(FUS)亨廷顿蛋白(Huntingtin)相关疾病阿尔茨海默病阿尔茨海默病、额颞叶痴呆、帕金森病疯牛病、家族性致死性失眠症、羊瘙痒症、库鲁病帕金森病肌萎缩侧索硬化症、额颞叶变性运动神经元疾病肌萎缩侧索硬化症、额颞叶痴呆亨廷顿病相关文献纤维化能力11-1213-141619-20212224-25相分离能力暂无报道8,1517-18562326-27592第 4 卷 响47。值得注意的是,一些外源性化合物本身会导致ThT荧光信号产生偏差48。扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)36、透射电镜(transmissi
21、on electron microscope,TEM)37、原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)38等方法是用于表征淀粉样纤维空间形貌的常用方法。如 Islam 等49结合 TEM 和 SEM 观测到 A淀粉样纤维具有螺旋状缠结的形貌;Makky等50通过TEM发现Tau蛋白能形成6种具有不同形貌的纤维,并通过AFM给出了这6种纤维的高度。由于淀粉样纤维不溶于水,又很难结晶,常规的解析蛋白质结构的方法,如晶体X射线衍射和液体核磁共振不能用于解析纤维的结构。X射线衍射只能得到主链的骨架信息,即cross-结构。例如Salveson等51通过X射线衍射(X-ray
22、 diffraction,XRD)方法解析出了具有 cross-结构的 A16-36纤维。解析纤维原子分辨空间结构的主要方法包括固体核磁共振(solid-state NMR,ssNMR)40-41和冷冻电镜43方法。如Tuttle等52通过ssNMR解析出了全长A40的纤维结构。Gremer等53、Fitzpatrick等13以及Li等21分别通过冷冻电镜解析出了全长 A42蛋白、Tau306-378和 TDP-43 低复杂度结构域(low-complexity domain,LCD)的 纤 维 结构。这些纤维结构的解析为药物研发提供了结构基础。用于表征蛋白质纤维化过程中蛋白分子内/分子间相互
23、作用的实验方法有交联质谱(chemical cross-linking of proteins coupled with mass spectrometry,简称CXMS或XL-MS)44、核磁共振40-41、荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)45方法等。例如Daniele Ubbiali等54采用交联质谱的方法跟踪Syn蛋白聚集过程中相互作用的演化,观察到蛋白质链随着聚集进程逐渐伸展;Yoh课题组55使用固体核磁共振方法观察到了Syn蛋白在纤维化过程中单体构象逐渐伸展并形成折叠结构的过程。Meng等56使用单分子荧光共振
24、能量转移方法研究了 A40和 A42的单体构象,发现两者单体结构均呈现高度无序的状态。上述这些实验手段为揭示蛋白质聚集机理提供了重要帮助。2 神经退行性疾病相关蛋白自聚集和共聚集的实验研究神经退行性疾病通常伴随着神经系统中的不溶性淀粉样蛋白斑块,这些斑块通常由一种或多种蛋白质聚集而成57。研究相关蛋白质的聚集和共聚集,对深入理解神经退行性疾病的复杂病理学成因至关重要。本节以 Syn、TDP-43、A、Tau、FUS等疾病相关蛋白为例,简要介绍实验上对它们形成的纤维结构的表征,并以Syn和A蛋白为例,介绍它们与其他蛋白质共聚集的研究工作。上述五个蛋白中,Syn、A和Tau蛋白是固表表2研究蛋白质
25、病理性聚集的主要实验方法Table 2Major experimental methods for studying protein pathological aggregation实验方法圆二色谱(CD spectra)傅里叶红外光谱(FTIR)ThT荧光光谱(ThT-FS)扫描电子显微镜(SEM)透射电子显微镜(TEM)原子力显微镜(AFM)微分干涉差显微镜(DIC)固体核磁共振(ssNMR)X射线衍射(XRD)冷冻电镜(Cryo-EM)化学交联质谱(XL-MS)荧光共振能量转移(FRET)研究内容解析空间结构x表征二级结构x表征空间形貌表征蛋白内/间相互作用参考文献33343536373
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 神经 退行 性疾病 相关 蛋白 理性 聚集 液液相 分离 研究进展
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。