Life Med | 王坚/刘聪揭示TMEM106B聚集体在衰老和帕金森病痴呆人脑中的特征

学术   科学   2024-06-11 23:00   北京  
病理性淀粉样蛋白纤维聚集体是多种神经退行性疾病(neurodegenerative diseases, NDs)的关键病理标志物。在ND患者不同脑区的特定类型细胞中形成病理聚集体,与疾病的发生发展密切相关。此外,NDs脑中多种不同淀粉样蛋白聚集体的共病理与互作可加速相应疾病的进展。因此,对于病理蛋白聚集体的种类与分布,分子结构,聚集特性及病理毒性的研究对于理解NDs的致病机制及药物研发具有重要意义。
2022年,上海交通大学李丹课题组,复旦大学附属华山医院王坚课题组与中国科学院生物与化学交叉中心刘聪课题组合作,从一位帕金森病痴呆患者(Parkinson’s disease dementia, PDD)以及两位高龄健康对照者的脑组织中提取并发现一种之前未知、全新的淀粉样蛋白聚集体,进一步通过冷冻电镜及质谱等方法揭示这种全新的蛋白病理聚集体是由跨膜蛋白106B(transmembrane protein 106B, TMEM106B)C末端片段折叠并进一步自组装形成的,相关研究结果发表在Cell Research上。同时期国外三个独立的研究团队在Nature和Cell杂志上也报道了类似的发现。与人们熟知的NDs关键致病淀粉样蛋白(如α-syn, Tau, Aβ和TDP-43)的发现路径不同,研究人员直接通过原子结构解析发现TMEM106B在人脑中形成大量的淀粉样纤维。然而,目前对TMEM106B纤维聚集体在人脑中的定位,与衰老、疾病以及其他已知ND致病淀粉样蛋白之间的潜在关联等还知之甚少。针对这些关键科学问题,2024年3月7日,复旦大学附属华山医院王坚课题组与中国科学院生物与化学交叉中心刘聪课题组合作在Life Medicine杂志在线发表了题为 “Tracing TMEM106B fibril deposition in aging and Parkinson’s disease with dementia brains”的最新研究工作。
在此项研究中,研究人员筛选出可特异性识别结合TMEM106B纤维的抗体,并利用来自不同年龄的正常人脑和PDD患者脑组织切片表征TMEM106B纤维的形成特征,发现人脑中TMEM106B纤维聚集体主要存在于星形胶质细胞和神经元中,且与NDs其他致病蛋白(α-syn, Tau, Aβ)不共定位。更重要的是,揭示了TMEM106B纤维形成明显的年龄依赖性,并可被NDs疾病背景进一步加重的特点。此研究全面、系统地表征了人脑中TMEM106B纤维聚集体形态和分布特征,并表明衰老和NDs都是人脑TMEM106B纤维异常聚集沉积的促发因素,为TMEM106B纤维参与衰老与NDs发生发展提供了有力的支持证据(图1)。
图1. 人脑中TMEM106B纤维聚集体形成特点
首先,研究人员通过体外免疫金实验初步筛选出抗体NBP1-91311可与人脑纯化的TMEM106B纤维直接结合,人脑片原位免疫荧光染色实验结果进一步表明NBP1-91311能原位识别结合TMEM106B纤维聚集体,人脑片硫磺素S染色实验结果证实抗体特异结合的是TMEM106B纤维(图2)。此外,人脑片免疫荧光染色发现TMEM106B纤维聚集体主要以丝状突起和圆环形包涵体两种形态存在。
图2. 抗体NBP1-91311表征人脑TMEM106B纤维形态特征
其次,为系统表征TMEM106B纤维在人脑中的分布特点,研究人员使用该抗体对6例不同年龄的健康对照和2例PDD人脑片行免疫组化染色,发现TMEM106B纤维聚集体负荷随着年龄的增长而显著增加(图3A–C)。此外,研究者进一步比较了2例PDD与3例年龄匹配的健康对照脑内TMEM106B纤维负荷,发现前者TMEM106B纤维负荷显著高于后者(图3D)。上述结果表明TMEM106B纤维在人脑中的异常沉积不仅只是年龄依赖性的,而且会因PDD的疾病背景而显著加剧。
图3.人脑TMEM106B纤维形成负荷表征
最后,研究人员使用免疫荧光双染对TMEM106B纤维的细胞分布及其与NDs其他致蛋白是否共聚集进行探索。通过与细胞标志性蛋白(神经元—HuC/D、星形胶质细胞—GFAP、小胶质细胞—Iba1、少突胶质细胞—Olig2)的免疫荧光双染,发现TMEM106B纤维聚集体主要沉积在神经元和星形胶质细胞中,少量沉积在小胶质细胞和少突胶质细胞中(图4A),且与NDs其他致病性蛋白纤维聚集体(a-syn, Tau, Aβ)均无共定位(图4B)。
图4. 人脑TMEM106B纤维细胞分布及其与NDs其他致病蛋白不共聚集
综上,在前期研究创新性地发现人脑TMEM106B纤维聚集体并揭示其原子结构的基础上,研究人员进一步对TMEM106B纤维在人脑中的病理负荷和细胞分布等特征进行了系统、全面的探究,揭示了衰老和NDs对TMEM106B纤维异常沉积的促进作用,强调了TMEM106B纤维在各种与年龄密切相关的NDs中的潜在致病作用,为理解TMEM106B纤维聚集体在衰老及NDs中的复杂作用提供了新的认识。
该研究由复旦大学附属华山医院王坚课题组与中国科学院生物与化学交叉中心刘聪课题组共同完成。复旦大学附属华山医院王坚课题组研究生赵婉冰和复旦大学附属华山医院已毕业博士研究生范云为文章的共同第一作者,王坚教授与刘聪研究员为本文共同通讯作者。该工作受到了国家自然科学基金委,上海市科学技术委员会和中国国家卫生健康委员会等项目资助。
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英文全文链接:
https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnae011
引用本文:
Wanbing Zhao, Yun Fan, Qinyue Zhao, Zhen Fan, Jue Zhao, Wenbo Yu, Wensheng Li, Dan Li, Cong Liu, Jian Wang, Tracing TMEM106B fibril deposition in aging and Parkinson’s disease with dementia brains, Life Medicine, Volume 3, Issue 1, February 2024, lnae011, https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnae011

作者简介

王坚

复旦大学附属华山医院

王坚,临床医学博士,教授/主任医师,博士研究生导师。复旦大学附属华山医院神经内科副主任。国际帕金森病及运动障碍协会(MDS) “Web Editorial Board”专家委员会专家委员,国家神经疾病医学中心(华山)功能神经疾病中心主任。课题组长期聚焦帕金森疾病临床及基础研究、慢病长程管理,共发表SCI论文145篇。2020年以来以(共)通讯/第一作者发表SCI研究成果46篇,包括Brain(2), JAMA Neurol, Cell Res, Cell Discov(2), Nat Commun, EBioMedicine, Mov Disord(6), Eur J Nucl Med Mol Imaging(2)等。

刘聪

中国科学院上海有机化学研究所

刘聪,中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心研究员。课题组致力于研究多种神经退行性疾病中病理性淀粉样蛋白聚集体结构基础,并揭示分子伴侣与淀粉样蛋白相互作用的分子机制,进一步发展靶向病理蛋白聚集的化学小分子抑制剂及示踪剂。近五年,以(共)通讯作者发表论文60余篇,包括 Cell, Nature Chemical Biology (2), Cell Research (5), Nature Structural & Molecular Biology(4), PNAS(7), JACS(2), Nature Communication(9), Molecular Cell等。

制版:太鑫

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