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Can you “C” me? 解構阿茲海默症

阿茲海默症(Alzheimer’s disease, AD)是最常見的神經退化性疾病,在 2015 年的統計資料中,全球罹病人數高達兩千九百萬人,而約兩百萬人死於阿茲海默氏症,雖罹病後平均餘命二至九年不等,但因目前無根治的治療方式,病人在剩餘的生命中,只能漸漸地由記憶衰退、思考能力退化,到對時間地點錯亂、無法言語、失去自理能力,最終通常因感染而死亡。

其致病機轉有兩大假說,第一為 beta 類澱粉蛋白(beta-amyloid, A-beta)在腦神經細胞間形成團塊堆積,刺激細胞進行細胞凋亡;第二為 tau 蛋白(tau protein)異常堆疊成神經纖維團塊(neurofibrillary lesion),進而瓦解神經元的運輸系統 [1]。自 1990 年代 beta 類澱粉蛋白假說興起,諸多臨床藥物試驗針對 A-beta 在近三十年中如雨後春筍般興起,但卻沒有一個藥物能有效治療。而在 2016 年,華盛頓大學的研究團隊指出相較於 beta 類澱粉蛋白,tau 蛋白更能有效預測阿茲海默氏症的發病 [2],然而,因對於 tau 蛋白結構了解不足,目前亦無任何相關藥物與檢測。

由於 tau 蛋白團塊無法形成有序的結構,故無法得到適合的 X 射線晶體,因此過往研究對 tau 蛋白團塊的分子堆疊瞭解僅止於神經纖維團塊的組成:tau 蛋白團塊由 paired helical filaments(PHFs)以及 straight filaments(SFs)所構成(圖)。PHFs 以及 SFs 有多肽鏈形成雜亂無章的外圍,以及兩個 C 型的次單位所堆疊而成的核心。而從免疫染色中發現腦細胞中共有 6 種亞型的 tau 蛋白,其中三種亞型保留第十個外顯子(exon 10)轉錄轉譯出的蛋白序列, 特徵為具有四個重複序列(4 repeats, 4R),分別為 R1 到 R4;另外三種則沒有 exon 10 的蛋白序列,且只具有三個重複序列(3 repeats, 3R),缺少 R2。相較於其他神經退化性疾病純由 3R 或 4R tau 其中一種蛋白所致,阿茲海默氏症的致病性神經纖維團塊由 3R 與 4R tau 蛋白混合組成。

構成 tau 蛋白的 PHFs 與 SFs 示意圖,可看出兩者 C 型次單元有不同的組合。 圖片來源:https://goo.gl/VvfWf9

2017 年英國醫學研究理事會分子生物學實驗室(Medical Research Council(MRC) Laboratory of Molecular Biology)的 Dr. Scheres 與其研究團隊利用低溫電子顯微術(cryo-EM)解構 tau 蛋白結構之謎 [3](想知道更多低溫電子顯微術資訊,請見「結構生物學」專題 )。研究團隊從一位 74 歲的 AD 病患的大腦皮質中取得神經纖維團塊,前處理去除外圍的多肽鏈後經由 cryo-EM 成像,再由 RELION 軟體重組,發現 PHFs 以及 SFs 核心除了如過去研究所示由兩個 C 型次單位推疊構成,更進一步發現構成 PHFs 的兩個 C 型次單位為對稱分布,而構成 SFs 的則是稍微傾斜。

單看一個 C 型次單位,可發現構成核心的是 R3、R4 兩個重複序列,R1、R2 則分布在較外側。再聚焦於分子層面,則可發現 C 型次單位在疏水性團基(hydrophobic cluster)與氫鍵的穩定下,由八個 beta- 折疊(beta1~8)構成,而此構造特別之處在於 R4 的 beta4~6 摺版形成螺旋狀轉折(beta-helix),使 beta1~5 與 beta6~8 平行排列形成 cross-beta packing,進而構成 tau 蛋白特別的 C 型結構。而若看兩個 C 型次單位如何相互連結,PHFs 與 SFs 則有不同的分子間交互作用:PHFs 利用次單位中的四個胺基酸(332PGGGQ336)相互反向排列,其中的三個甘胺酸(glycine, G)易形成 beta 螺旋(beta-spiral),並在次單位內與次單位間形成氫鍵;而麩胺醯胺(Q336)亦與另一次單位的賴胺酸(K331)形成氫鍵,以上分子間交互作用使 PHFs 更加穩固。SFs 則分別利用兩個次單位中的殘基 321KGGS324 與 313VDLSK317 連結,有趣的是,其中的分子間作用力並非源自疏水性基團或是氫鍵,而是在 K317、T319、K321 之間有增加特殊的作用力,研究團隊綜合低溫電子顯微術(cryo-EM)與相關抗體的作用結果,歸結出該作用力與 SFs 的 N 端麩胺酸與苯丙胺酸殘基(7EFE9)相同,故在 SFs 中,N 端會反摺並提供作用力穩定整體結構。

研究者揭示 PHFs 與 SFs 的分子構造,解釋了為何阿茲海默症的致病因子別於其他 tau 蛋白導致的神經退化性疾病:其神經團塊非由單一類 tau 蛋白組成,而是同時由 3R 與 4R tau 蛋白以 R3 與 R4 的交互作用維持的 C 型核心所構成。此研究不啻是解釋了阿茲海默症的複雜性以及治療的困難。除此之外,先前研究曾發現若將人類阿茲海默症的 tau 蛋白注入健康小鼠中,可以導致小鼠中產生神經纖維致病團塊,並產生相關症狀 [4],然而,此現象缺乏分子生物學的直接證據。R4 重複序列中的 beta 螺旋(beta-helix)即是可能的解答:在真菌所產生的 HETs 普里昂蛋白(HET-s Prion)亦有相同構造 [5],解答了 tau 蛋白具傳染性的謎團。而此特別的 beta 螺旋構造,更可製成為正子掃描探針(PET-ligand),可精確探測出大腦中的 tau 蛋白,更準確的預測阿茲海默症的發病與進展。然而,因該研究僅專注於 tau 蛋白的核心結構,我們對外圍雜亂無章的多肽鏈的致病性了解甚少,若要更進一步了解阿茲海默症,仍需更多研究釐清。

參考資料:

  1. Serrano-Pozo, A., Frosch, M. P., Masliah, E., & Hyman, B. T. (2011). Neuropathological Alterations in Alzheimer Disease. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine, 1(1), a006189-a006189. doi:10.1101/cshperspect.a006189
  2. Underwood, E. (2016). Tau protein—not amyloid—may be key driver of Alzheimer’s symptoms. Science. doi:10.1126/science.aaf9985
  3. Fitzpatrick, A. W., Falcon, B., He, S., Murzin, A. G., Murshudov, G., Garringer, H. J., … Scheres, S. H. (2017). Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer’s disease. Nature, 547(7662), 185-190. doi:10.1038/nature23002
  4. Guo, J. L., Narasimhan, S., Changolkar, L., He, Z., Stieber, A., Zhang, B., … Lee, V. M. (2016). Unique pathological tau conformers from Alzheimer’s brains transmit tau pathology in nontransgenic mice. The Journal of Experimental Medicine, 213(12), 2635-2654. doi:10.1084/jem.20160833
  5. Wasmer, C., Lange, A., Van Melckebeke, H., Siemer, A. B., Riek, R., & Meier, B. H. (2008). Amyloid Fibrils of the HET-s(218-289) Prion Form a Solenoid with a Triangular Hydrophobic Core. Science, 319(5869), 1523-1526. doi:10.1126/science.1151839

撰文│張彥安

修訂│劉馨香

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張彥安

國立陽明大學醫學系醫學系醫師科學家學程學生,目前在台北榮總實習。曾於Duke University計仁昌老師實驗室進行短期癌症生物學研究;生化所進行亨丁頓氏症相關分子生物學研究;參加2014國際合成生物學競賽(iGEM)。希望藉由Investigator了解更多不同面向的科學研究主題,並認識對生物醫學充滿熱情的同好。