阿尔茨海默病（AD）在病理学上被定义为异常聚集的Aβ和tau，分别形成细胞外和细胞内淀粉样沉积物。遗传性AD（familial Alzheimer’s disease，FAD）是由淀粉样前体蛋白APP基因和早老素基因PSEN1和PSEN2中的常染色体显性突变引起的。APP基因编码Aβ前体，而PSEN1/PSEN2基因编码γ分泌酶复合物的亚基。会有不同长度的Aβ肽产生（包括Aβ1-40、Aβ1-42和Aβ1-43），其中Aβ1-42是AD中Aβ的主要成分。编码微管相关蛋白tau的基因突变会导致与17号染色体相关的额颞痴呆和帕金森症，从而导致缺乏β-淀粉样蛋白沉积的tau病理。在AD中，tau的聚集与神经元的丧失和认知能力下降的程度相关。

Aβ和tau高度倾向于聚集，会自发组装成低分子量寡聚体或前纤维蛋白。数十年来，Aβ蛋白和tau蛋白在脑实质中积累，形成淀粉样斑块和tau缠结。β-淀粉样斑块在形态学上可分为弥漫型、致密核心型、纤维型或神经炎型，其中所有类型都含有Aβ1-42纤维状沉积物。此外，主要由Aβ1-40组成的淀粉样纤维在各种类型的脑淀粉样血管病（CAA）中在血管周围积累。相比之下，tau纤丝在神经元细胞体和突起中沉积，分别形成tau缠结(tau tangles)和tau线状物(tau threads)。在疾病后期阶段， tau纤丝可以以幽灵缠结和萎缩神经突残余的形式存在于细胞外。

最近，利用单颗粒冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术，阿尔茨海默病（AD）患者死后大脑的Aβ1-42纤维的高分辨率结构已经被成功解析出来。这些体外纤维含有两种Aβ1-42淀粉样蛋白（I型和II型）的结构构象，这两种构象都存在于散发性和家族性AD病例中。这些结构不同于在体外制备的Aβ1-42纤维，也不同于从CAA病例的脑膜中纯化的Aβ1-40。从AD和其他tau病理中纯化的tau纤维的原子结构表明，tau会形成特定的疾病构象。在AD中，tau形成了不同的成对螺旋纤丝（PHF）和直纤丝（SF）的超微结构多态性，它们都由三重复(3R)和四重复(4R) tau组成。然而，在未经固定的人类脑组织中，Aβ和tau病理的天然分子结构和组织仍不清楚。

该研究团队最近通过冷冻光电相联显微（cryo-CLEM）技术和冷冻电子断层扫描（cryo-ET）技术对FAD小鼠模型组织中的Aβ1-42纤维进行了体内分子结构分析，发现这些β-淀粉样斑块由纤维、类原纤维棒状物和分支淀粉样蛋白组成，这些结构被细胞外囊泡、细胞外液滴和多层膜结构交织在一起。这种病理结构在人类AD大脑中的呈现尚不清楚。此外，FAD小鼠模型中β-淀粉样蛋白沉积不能完全再现AD的所有病理特征，包括tau蛋白的沉积和神经退行性病变。

该篇文章利用cryoET确定了AD患者死后大脑的β-淀粉样蛋白斑块和tau病理结构的体内三维（3D）结构。研究团队使用冷冻荧光显微镜（cryo-FM）来定位切片中的特定病理结构，并使用冷冻聚焦离子束扫描电子显微镜（cryo-FIB-SEM）抬出切片薄片。重建的断层图像揭示了由Aβ纤维、分支纤维和棒状纤维组成的细胞外β-淀粉样蛋白斑块，并与非淀粉样成分交织一起。tau沉积物由无分支的纤丝组成，形成位于组织的细胞内和细胞外区域的簇。通过对每个簇内tau纤丝的亚电子显微镜平均法（分辨率为8.7-31.8Å），确定了具有不同扭曲程度和螺旋结构的PHFs和SFs。同一簇内的纤丝彼此相似，但不同簇间的纤丝不同，这表明纤丝具有空间异质性。

对阿尔茨海默病捐赠者和非痴呆捐赠者的中颞叶皮层快速冰冻组织样本进行了cryo-ET分析。阿尔茨海默病病例为一名70岁的女性，有12年的渐进性痴呆病史，并经神经病理学证实。捐赠者在54岁时开始出现记忆问题，58岁时被诊断出患有痴呆症，显示出明显的记忆缺陷和紊乱的执行功能。家族中没有痴呆症病史，APOE基因型为E3/E3。神经病理学分析显示，在中颞叶的整个区域（如图1a）有丰富的淀粉样蛋白斑块、tau缠结、tau线状物和极少数脑淀粉样血管病变。此前曾报道过，观察到与年龄相关的TMEM106B体细胞和神经突起内含物。未检测到α-synuclein或TDP43内含物，这表明不存在与其他常见神经退行性疾病相关的病理。为了从生物化学角度评估AD捐赠组织，分离并免疫印迹分析了Sarkosyl不溶性tau聚集体（如图1b）。tau聚集体高度磷酸化，含有3R和4R tau。利用cryo-EM分析了Sarkosyl不溶性聚集体中的PHF和SF，结果显示在AD捐赠者脑组织中存在这两种结构。总的来说，这种免疫组织化学和生物化学特征与典型的AD病例相符。

图1：冷冻电镜下的死后AD脑组织结构

a、用免疫组织化学法检测死后AD供体脑组织中的Aβ/APP病理。标尺，2毫米。大、小红色矩形分别表示上右和下右的放大图像。标尺，20微米。b、用免疫印迹法检测去污剂不溶性tau（tau 46）。箭头表示全长磷酸化tau带。c、用荧光共聚焦显微镜（从左到右）检测AD供体死后脑组织中的淀粉样蛋白（MX04）、Aβ/APP（4G8）、磷酸化tau（AT8）以及它们的合并图像。青色箭头表示β-淀粉样蛋白斑块；空心的橙色箭头表示tau细状物。标尺，20微米。d、显示AD死后脑组织在cryo-CLEM和cryo-ET中的原位结构确定准备过程的示意图。e、左图， cryo-FM下的HPF AD死后脑组织活检。青色，MX04荧光；红色框，放大区域。标尺，0.5毫米。右图，放大区域。青色箭头表示可能的β-淀粉样蛋白斑块；空心橙色箭头表示可能的tau线状物；白色梯形表示从中收集组织切片的组织区域。标尺，50微米。f、与e相同，但实心和空心的橙色箭头分别表示tau缠结和tau线状物。g、左图，cryo-CLEM技术在组织冷冻切片中对MX04标记的β-淀粉样蛋白斑块的定位。红色矩形，显示的放大区域。标尺，1微米。右图，放大图。红色矩形，从中收集冷冻电镜数据的位置。标尺，5微米（左）和1微米（右）。h、死后AD脑组织冷冻切片中的β-淀粉样蛋白病理的横截面图。实心和空心青色箭头，分别在x-y平面和轴向(z轴)断层图中的纤维;黄色箭头状，细胞外立方粒子;红色箭头，胞外液滴;粉红色箭头状，细胞外囊泡;深绿色箭头状，亚细胞隔室;淡绿色箭头，破裂质膜隔室;白色箭头，刀伤。比例尺，10纳米。i、h的彩色层析图。

为了在AD组织中检测出淀粉样沉积物，研究人员将新鲜的脑切片置于一种名为MX04的荧光染料中进行培养，这种染料可以普遍地与淀粉样蛋白结合。共聚焦显微镜显示，MX04标记的淀粉样蛋白广泛分布，包括直径为30-50微米的典型的β-淀粉样蛋白斑块，以及tau缠结和tau填充的神经毡细丝（ neuropil threads）（图1c）。免疫荧光检测Aβ/APP和磷酸化tau证实了这些形态上不同的MX04标记沉积物的身份（图1c）。

为了在冷冻的死后组织中定位β-淀粉样蛋白和tau病理，研究团队借鉴了之前在FAD小鼠模型脑组织中进行的cryo-ET研究流程。将冷冻的组织块解冻，制备新鲜切片，用MX04标记并进行高压冷冻（HPF）（图1d）。对这些冷冻的AD组织的cryo-FM显示了MX04标记的淀粉样病理的分布位置，包括神经斑（图1e）、tau缠结（图1f）和tau线状物（图1e、f），这些与固定组织中的形态相似（图1c）。非痴呆症对照组织中未发现淀粉样病理变化。

为了准备cryo-ET用的脑组织切片，从MX04标记的β-淀粉样蛋白斑块（图1e）和另一个富含tau缠结和线状物的区域（图1f）收集了约70纳米厚的组织冷冻切片。cryo-FM证实了这些组织冷冻切片中存在MX04标记的淀粉样蛋白。通过cryo-CLEM将MX04标记的淀粉样蛋白映射到中等放大倍数的电子显微照片上（图1g）。在MX04信号较强的区域，通过cryoEM直接观察到了疑似淀粉样蛋白（图3a、b）。

使用cryoCLEM映射来定位收集切片的层析倾斜图像系列，每个切片覆盖了约1平方微米的组织区域（2.38 Å像素大小）。在包含MX04标记的β-淀粉样蛋白斑块的组织冷冻切片区域和包含tau缠结的组织冷冻切片区域分别收集了42个和25个断层图像。另外，从非痴呆捐赠组织的冷冻切片中收集了64个断层图像作为对照组。重建的断层图像揭示了死后人类大脑中AD病理的天然的、体内的三维分子结构（图1h、i和图2）。

a，死后AD脑冷冻切片细胞内tau病理层析片。开放的橙色箭头，断层图内丝轴向(z轴);棕色箭头状，有髓鞘的轴突;绿色箭头状，亚细胞隔室;蓝色箭头，胞内膜结合细胞器。比例尺，10纳米。c, AD死后脑冷冻切片细胞外tau病理断层切片。开放的橙色箭头，断层图内tau丝轴向(z轴);棕色箭头状，有髓鞘的轴突;深紫色和浅紫色箭头，分别是受损线粒体的外膜和内膜;黄色箭头表示假定的Fo-F1 atp酶;深绿色箭头状，亚细胞隔室;蓝色箭头，胞内膜结合细胞器;白色箭头，刀伤。比例尺，10纳米。d，层析图的分割，颜色如c。

从MX04标记的淀粉样斑块中收集的所有断层图像中，都可以看到纤维。没有在对照组任何一个的断层图像中发现纤维。β淀粉样斑块中的纤维形成了平行的阵列或格子结构（图1h、i；图3c-e）。这种结构与该团队之前在FAD小鼠模型的淀粉样斑块中报告的结构相似。在一些断层图像中，通过将淀粉样纤维与包含细胞内结构或髓鞘化轴突的亚细胞结构相邻的位置，可以明确地确定淀粉样纤维的胞外位置（图3d）。

a, AD死后脑冷冻切片中mx04标记的tau内含物的CryoCLEM。左上方，与cryoEM图像对齐的cryoFM图像(青色，MX04)。红色矩形，特写区域。比例尺，5 μm。左下方，特写。红色矩形，区域显示，区域显示在特写中。橙色箭头，推测是tau丝。绿色箭头，推测为神经突的质膜。比例尺，500纳米。b, AD死后脑冷冻切片的CryoCLEM显示未标记的淀粉样蛋白位于MX04穿透深度以下的组织深处。左图为MX04(青色)cryoFM图像与cryoEM图像对齐，显示MX04仅标记100 μm厚组织活检的顶部~15 μm。红色矩形，冷冻切片对应于组织活检27 μm深的区域。比例尺，5 μm。右图为左侧中倍冷冻电镜图像的特写，显示了收集cryoET数据的区域(见e)。青色箭头表示推定的Aβ纤维。比例尺，500纳米。c-e，死后AD脑组织β-淀粉样斑块病理的断层扫描切片。实心和空心青色箭头，分别在断层图x-y平面和轴向(z轴)的纤维。棕色箭头状，有髓鞘的轴突。深绿色箭头，亚细胞室。蓝色箭头，胞内膜结合细胞器。黄色箭头，细胞外立方粒子。粉红色箭头，细胞外囊泡。白色箭头，刀伤。比例尺，10纳米。c， β-淀粉样斑块病理。与图1g相关。d，与c相同，但在髓鞘轴突附近有淀粉样蛋白病理。e，和c一样，但是和b有关

β-淀粉样蛋白斑块被各种膜结合的亚细胞结构和相关的大分子成分交织在一起（图1h,i，图3c-e）。这些成分包括大量的细胞外囊泡、细胞外液滴、70-200纳米的立方颗粒和膜碎片(开放的脂质双分子层)。这些非淀粉样成分在非痴呆症供体对照组织切片中不存在。除了细胞外立方颗粒和膜碎片外，这些成分与该团队之前在FAD小鼠模型组织冷冻切片(AppNL-G-F-HPF)中用cryo-ET观察到的成分相似。开放的膜碎片可能是死后间隔时间（PMI）或冷冻-解冻（FT）步骤所造成的结果。为了控制这一因素，研究团队准备了与死后捐献人组织相同的PMI和FT步骤的FAD小鼠模型组织的冰冻切片（AppNL-G-F-PMI-FT-HPF），并从中收集了cryo-ET数据集，并将其与未经PMI或冷冻解冻步骤处理的组织（AppNL-G-F-HPF）的断层图像进行了比较。尽管AppNL-G-F-PMI-FT-HPF中β-淀粉样蛋白纤维的结构与AppNL-G-F-HPF几乎无法区分，但一小部分AppNL-G-F-PMI-FT-HPF切片中包含了膜碎片（60个样本中的2个）或破裂的细胞膜（60个样本中的10个），而在AppNL-G-F-HPF样本中则未发现此类结构。因此，尽管在非痴呆症对照组中未观察到膜碎片或破裂的细胞膜，但PMI和冷冻解冻步骤可能会影响β-淀粉样蛋白纤维的结构。

阿尔茨海默病患者死后脑β-淀粉样蛋白斑块的细胞外立方颗粒具有明显的内部特征，以高密度的规则间距条纹的形式存在。在AppNL-G-F斑块中未观察到细胞外立方颗粒。傅里叶分析（Fourier analysis）表明，这些条纹层间距为2.5或2.8 nm。这种形态与通过cryo-EM观察到的低密度脂蛋白颗粒的3.5 nm层和cryo-ET观察到的细胞内脂滴的3.5 nm层相像但不同。

从用MX04标记的tau蛋白组织冷冻切片收集的断层图显示，tau纤丝以300至800纳米的平行簇形式排列（图2），而在对照组织的冷冻切片中未发现此类沉积物。这些沉积物位于神经突的胞质内和髓鞘化的轴突内（图2a，b）。一个这样的淀粉样蛋白簇也存在于细胞外，位于一个髓鞘化的轴突外受损的线粒体旁边，附近没有发现包裹的细胞膜的证据（图2c，d）。相比之下，在非痴呆对照组和AppNL-G-F-PMI-FT-HPF切片中经常可以看到受损的线粒体，它们都被细胞膜完全或部分包裹。然而，研究团队表示无法确定这种tau纤维簇和线粒体处在细胞外是否是由于样本制备造成的。

为了进一步评估β-淀粉样蛋白斑块和tau沉积中纤维的结构和身份，从每个群体中选取了样本进行比较。来自含有β-淀粉样蛋白斑块和tau病理的切片的横截面显示β纤维和tau纤维的直径分别为6±2纳米和15±3纳米（平均值±标准差）（图4a、b）。这些宽度与体外纯化β-淀粉样蛋白纤维和tau蛋白纤维的原子结构的预期尺寸大致一致，并证实了MX04靶向收集的β-淀粉样蛋白斑块和tau内含物的层析图像。沿x-y平面和z轴方向的取向的Aβ纤维都存在(图1h和图3c-e)。相比之下，tau纤维要么沿x-y平面取向，要么沿z轴方向取向，但没有这两种取向的混合(图2和4)。z轴向取向的Aβ纤维和tau纤维提供了足够的对比，可以直接观察整个原始断层扫描图像内单个Aβ纤维和tau纤维的交叉(图4)。在β-淀粉样蛋白斑块断层扫描的这些区域，33-40%的纤维显示分支点，在分支点上形成彼此分叉的纤维(图4c,d)。这种分支状淀粉样蛋白结构与β-淀粉样变性的FAD小鼠模型相似。在tau断层图中，仅存在未分支状的纤维(图4e,f)。

a，断层扫描切片显示一组β-淀粉样蛋白纤维轴向(z轴)。比例尺，10纳米。b，断层扫描切片显示z轴取向的tau纤维丝面板。比例尺，10纳米。c,d，含有β-淀粉样蛋白晶格(c)和单个纤维(d)的原始层析密度侧视图。每个单个淀粉样蛋白纤维的颜色不同:33%(51个中的17个)β-淀粉样蛋白原纤维具有分支点。洋红色箭头，分支点。e f，与c (e)和d (f)中情况相似，但是对于tau。g，位于细胞外的136个tau细丝的亚断层平均图(图2c,d)。h, AD冷冻切片层析图中tau纤丝亚断层的螺旋平均

为了获得更高分辨率的结构信息，研究团队对tau蛋白缠结和β-淀粉样蛋白斑块中的淀粉样蛋白进行了子断层图像平均分析。组织中不同位置的亚细胞环境会影响纤维的结构。因此，研究团队对每个tau纤维簇进行独立地排列和子断层图像平均分析。使用对整个纤维进行排列进行子断层图平均分析获得的螺旋参数(图4g)，从136个细胞外tau纤维簇的单个断层图中获得了最高分辨率平均图(8.7 Å)，解析了由每个多肽骨架形成的β片和环。这些分析显示了两个C形原纤维的AD折叠(图4h)。研究团队通过EM算法获得的对数似然值(LLG)来量化子断层平均图中原子模型的拟合，其中最佳模型将具有最大的分数，分数大于60表示非随机拟合。与AD SF的234.6 LLG和0.40相关系数相比，AD PHF更好地拟合:944.6 LLG和0.56相关系数(图4h)。一个较弱的、β片状密度的额外壳层(图4h)没有被PHF原子模型填充。在sarkosyl提取的AD PHF tau纤维模型的未锐化图中也报道了类似的额外密度。

组织内其他六个tau簇的子断层扫描平均也产生了较低分辨率的图 (18.9 - 31.8Å的分辨率), 其中两个在原子模型拟合的基础上与AD PHF兼容(LLG > 60)。其余四个tau簇不包含PHF或SF，并且缺失可以明确指示特定tau淀粉样蛋白折叠的更高分辨率特征(PHF和SF原子模型的LLG < 60)。β-淀粉样斑块断层扫描中的纤维比tau纤维更薄，特征性更差，因此无法解决螺旋扭曲，因此无法进行高分辨率的子断层扫描平均分析。

在冷冻切片中，子断层图平均法可实现分辨率可能受到样品制备过程中刀伤的限制。因此，研究团队建立了另一种工作流程，通过cryo-FIB-SEM lift-out方法从死后AD大脑中制备组织薄片(图5a)。组织薄片的制备使用3Dcryo-FM靶向到含有tau线状物的位置，该位置位于MX04标记的淀粉样斑块附近(图5b,c)。在整个薄片中收集了13张断层扫描图，其中6张包含tau纤维簇(图5d)。

a, HPF脑中MX04标记淀粉样蛋白(蓝色)的cryo-CLEM靶向的cryo-FIB-SEM lift-out薄片制备示意图。b，左图，HPF脑组织冷冻FIB图像，显示lift-out前的组织块。右，冷冻FIB图像与MX04标记淀粉样蛋白的共聚焦冷冻FN图像对齐。棕色矩形，组织块;青色线，组织薄片的位置。标尺，20 μm。c,e,f，左图为MX04共聚焦低温FM，用于制备lift-out片层。中间为相距1.9 μm的冷冻调频光学z片。标尺，20 μm。红色矩形，特写区域。右图是特写。青色线，组织片层位置;青色箭头，mx04标记淀粉样蛋白的显微区域对应于第一张(e)和第二张(f)断层图的上方和下方。标尺:1 μm。d，顶图，两个lift-out的薄片的低温电镜。红色矩形，区域放大如下。标尺:1 μm。底部，放大图。橙色矩形，含有tau纤丝的组织片层析图;橙色箭头状，tau纤丝簇;绿色箭头，质膜结合的亚细胞隔室;白色箭头，冰染;白色矩形，缺少tau丝的断层图位置。比例尺，500纳米。e,f，组织薄片中tau线状物的层析切片。橙色箭头，tau纤丝;紫色箭头，线粒体;绿色箭头，膜包围亚细胞隔室;蓝色箭头，胞内膜结合细胞器。比例尺，10纳米。g，52 个PHF和19 个SF的子断层平均图。左和左中分别是不具有和具有原子模型的tau PHF子断层平均图。右和右中，与左中和左中相同，但不含和含离体纯化SF的原子模型的SF子断层平均图。h, tau纤丝子断层图的螺旋平均。顶部和底部面板，分别为PHF和SF图。比例尺，5纳米。i,j，与g (i)和h (j)相似，但是针对只含SF的簇。

子断层图像平均采用的是含有最高tau纤丝拷贝数的两个断层图。这两个tau簇在两个膜结合的亚细胞区室中相隔约1 μm，并被映射到位于MX04标记的淀粉样斑块外围的两个不同的MX04标记的tau线状物(图5c-f)。每个位置上排列的纤维独立产生结构上不同的子断层平均图(图5g,h与图5i,j相比)。在71根纤维的第一个簇中，确定了两个不同的类别(18.1和18.2 Å的分辨率)，其中AD PHF和SF的原子模型被很好地拟合(图5h, PHF模型拟合:379.0 LLG, 0.48相关系数，SF模型拟合:233.5 LLG, 0.48相关系数)。第二簇的78根纤维完全由SF组成(图5i , 18.3 Å的分辨率，SF模型拟合:180.9 LLG，相关系数0.47)。这些原位cryo-ET数据表明了，在两个相邻的微观病理区域内，同时存在几种由不同种类tau纤丝构成的差异化组装体(例如，有包含PHF和SF的混合簇，也有只含SF的簇)。

子断层图像平均图数据能够评估不同组织位置的tau纤丝的相似性。将每个tau纤维簇的螺旋参数与体外PHF纯化原子模型的螺旋参数进行比较表明，原位tau纤丝的螺旋扭曲程度具有位置特异性。一半的组织内PHF子断层图平均扭曲程度比先前报道的离体PHF低19-38%(原位PHF与离体PHF的crossover距离分别为79-129 nm和65-80 nm)。

三个tau簇子断层平均图具有足够高的分辨率来解析tau纤丝的极性。将这些结构映射回组织内断层图显示，在一个平行的tau簇中，114个PHF细丝的极性方向相同，而22个细丝面向相反方向。这种高度偏态分布是非随机的。相同或相反取向的纤丝在位置上没有明显的规律。在包含PHF和SF纤维簇的lift-out层析成像中，纤维的极性取向也呈偏态分布。相比之下，只含SF的tau簇的纤丝的极性取向接近随机分布。这些数据表明，在一些但不是所有的tau簇中，纤丝间相互作用或其他细胞成分影响纤丝的取向。

几十年来，阿尔茨海默病脑部淀粉样蛋白的光镜特征已成为诊断和疾病分类的基础。最近从全脑区域大量纯化制备的离体AD Aβ纤维和tau纤维原子模型已经阐明了AD和其他神经退行性疾病特有的纤维构象。该研究使用cryo-FM指导cryo-ET和子断层图像平均，描述了AD大脑中分子结构、细胞环境和微观神经病理学特征模式之间的关系。这些β-淀粉样蛋白斑块和tau病理的原位结构揭示了在一个AD患者死后的大脑区域中Aβ纤维的异质性，以及不同细胞背景下tau纤丝的螺旋扭曲和极性取向的位置特异性。

β-淀粉样斑块的特征是淀粉样纤维与非淀粉样成分(包括细胞外囊泡和立方颗粒)交错的晶格状结构。人死后β-淀粉样斑块的细胞外立方体颗粒类似于ApoE和黑素体前蛋白相关的腔内囊泡的立方体液滴状结构，这是视网膜黑素体淀粉样结构所必需的蛋白质。该团队认为这些非淀粉样成分是AD病理的一个组成部分，可能与β-淀粉样蛋白的生物发生或对淀粉样蛋白的细胞反应有关。

在死后AD人脑中分析的Aβ纤维与通过cryoET在新鲜组织冷冻切片中观察到的以及从FAD小鼠模型的体外纯化Aβ中的纤维相似，包括纤维、原纤维样棒状物和分枝状淀粉样蛋白。分支纤维和原纤维样棒状物的存在表明，Aβ纤维的生长是由次级成核机制介导的，这可能有助于解释β-淀粉样蛋白斑块中高浓度Aβ的特点。

tau病理组织断层图显示纤丝无分支，并平行排列成簇。tau纤丝簇所处的神经纤维束的有限宽度可能解释了tau纤丝的平行排列。然而，不能排除在纤维生物合成过程中的横向相互作用可能导致这种平行排列。tau簇在细胞内和细胞外均可观察到。细胞外tau簇与在神经元退化后留下的“幽灵轴突”相一致。

之前有研究用常规电子显微镜对死后AD脑组织进行分析，首次在不同的缠结或丝束中观察到PHF和SF。对纯化后的淀粉样蛋白进行冷冻电子显微镜分析后发现，与AD相关的有两种不同的tau超微结构形态，即PHF和SF。组织内子断层图像平均达到了亚纳米分辨率，揭示了单个冰冻切片断层图像中由136条纤丝构成的一个纤维簇中PHF的肽链折叠结构。在数据集中的其他断层图像（无论是来自冰冻切片还是来自冰冻FIB-SEM薄片）产生的子断层平均图没有揭示肽链折叠结构。然而，其中大多数的分辨率足以在原位区分来自不同组织位置的不同PHF和SF tau纤丝的原纤丝结构。每个簇由不同的tau纤丝群组成（仅PHF、仅SF或PHF和SF的组合），平均螺旋扭曲程度有所不同。四条tau纤丝束集群的子断层图像平均与PHF的原子模型相吻合，其中大多数图显示其螺旋扭曲程度较体外、sarkosyl不溶的PHF有所降低。由于大多数集群中的tau纤丝束彼此相似，但各集群之间存在差异，研究团队推测这种变异性可能受到空间限制或由亚细胞位置组织。

纤维状蛋白质具有极性，其取向是神经元中一种重要的功能性组织原则。例如，神经元轴突中的微管几乎保持一致的极性取向，而在树突中其取向则较为混杂。极性也可能是tau纤维束形成过以及二次成核模型的一个重要考虑因素。鉴于成熟的tau纤维长达几微米，因此每个纤维的极性取向必须在组装的早期阶段就固定下来，因为一旦纤维的长度超过它所处亚细胞区域的宽度，空间位阻就会阻止它转向相反的方向。子断层图像平均法解析了一个tau簇，其极性取向呈高度偏态分布，且非随机，倾向于某一方向而非另一方向。这种偏态分布与纤维之间存在某种程度的相互作用一致，并在其组装的早期阶段为新tau纤丝的生长提供了模板。然而，不能排除其他细胞组分组织tau纤丝簇的极性取向的可能性。

将该研究的原位结构分析工作流程应用于更多样化的AD捐赠者群体、不同脑区和AD早期阶段，可能会揭示不同结构的淀粉样蛋白的空间组织如何与个体神经病理学特征相关。此外，将这些方法应用于其他神经退行性疾病也将非常重要，因为这些疾病中的许多都具有相似或重叠的淀粉样神经病理类型。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07680-x