Nature：杂交蛋白丝是神经退行性变的一个意外转折

只要给我们任何一个研究题目，或4个以上选题的核心关键词，我们就可以生成一份如下文一样的项目选题，包含题目，背景，目前研究难点，创新点，拟解决的科学问题，并提出科学假说，真的是一份浓缩版的立项依据。可以扫上面二维码来免费做下选题！ 

论文ID

题目：Heteromeric amyloid filaments of ANXA11 and TDP-43 in FTLD-TDP type C

期刊：Nature

IF：69.504

发表时间：2024年9月11日

通讯作者单位：剑桥MRC分子生物学实验室

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08024-5

主要内容：

单一类型蛋白质的异常细丝是神经退行性疾病的标志。结构研究揭示了由两种离散但交织的蛋白质制成的细丝，为神经退行性疾病的起源提供了线索。

自从大约 100 年前首次被描述以来，神经退行性疾病的定义是大脑中异常折叠的蛋白质丝的聚集。以前对这些细丝的结构研究表明了一个共同的主题：细丝产生于由单一类型的蛋白质（如 tau、α-突触核蛋白或淀粉样蛋白-β）制成的有序组装。在《自然》杂志上写作，Arseni 及其同事1描述了由两种不同蛋白质组成的疾病相关丝的首次观察——TAR DNA 结合蛋白 43 （TDP-43） 和膜联蛋白 A11 （ANXA11）。作者使用一种称为冷冻电子显微镜 （cryo-EM） 的技术，展示了这两种蛋白质的片段如何相互作用组装成螺旋丝，为这些致病实体的机制起源提供了线索。

一系列神经退行性疾病，统称为 TDP-43 包涵体额颞叶变性 （FTLD-TDP），以 TDP-43 蛋白聚集为标志。至少有四种类型的 FTLD-TDP（A-D 型），它们的区别在于 TDP-43 聚集体在大脑中的分布和形状。以前的研究揭示了 A 型和 B 型 TDP-43 细丝的结构。有趣的是，尽管 TDP-43 在两种疾病类型中都形成了原纤维，但每种类型的细丝都有不同的重复结构褶皱。其他神经退行性疾病相关蛋白，如 tau4，也可以在疾病中产生不同的丝状组装体，这表明上游生物现象可能决定了易聚集蛋白质的结构亚型。    

在本研究中，作者解决了 FTLD-TDP C 型中发现的细丝结构，这是一种在遗传、临床和病理学上不同的类型。与 A、B 或 D 型不同，没有特定的基因突变与 C 型有关。临床上，C 型患者通常患有 A、B 或 D 型患者通常看不到的特定形式的语言功能障碍。TDP-43 聚集体在 C 型患者大脑中的细胞分布也很独特。在 A、B 和 D 型中，TDP-43 聚集体在神经元细胞体内形成。然而，在 C 型中，线状 TDP-43 聚集体出现在轴突和树突中——促进神经元之间通信的细长细胞延伸。

首先，Arseni 及其同事从 FTLD-TDP C 型个体的脑组织中提取了 TDP-43 细丝。然后，他们捕获了数十万张细丝的冷冻电镜图像，以生成 3D 重建。所得结构形成风筝形横截面和左旋螺旋扭曲（图 1），与 FTLD-TDP 类型 A 和 B 不同。在所有四个测试个体的样本中都发现了这种形状，将其确定为经典的 C 型折叠。    

令人惊讶的是，作者发现两条离散但交织在一起的蛋白质链构成了细丝。通过解析冷冻电镜重建中的氨基酸侧链，他们发现这些链中只有一条与 TDP-43 的蛋白质序列匹配。在搜索人类蛋白质组（完整的人类蛋白质集）以寻找第二条链的身份后，作者们得到了一个结果。ANXA11 是一种钙依赖性膜结合蛋白，形成与 TDP-43 链紧密相互作用的第二条链。埋在细丝核心中的疏水界面将这两条链连接在一起。

这些杂交丝的存在代表了对 TDP-43 作为神经退行性变的单独剂的传统观点的重大转变。这些发现还提出了许多关于额颞叶痴呆发生的分子过程和相关原纤维形成的起源的有趣问题。

TDP-43 和 ANXA11 都是称为 RNA 颗粒的细胞结构的组成部分，它们动态组装以调节 RNA 代谢、转运和翻译。TDP-43 通过两个 RNA 结合基序直接与 RNA 结合，从而能够直接调节 RNA 代谢。ANXA11 可以与 RNA 颗粒和称为溶酶体的膜结合细胞器同时相互作用，通过“溶酶体搭便车”机制促进 RNA 在轴突和树突中的运输。这种现象使局部蛋白质合成成为可能，这对于轴突修复和记忆形成等过程至关重要。

这两种蛋白质的关键物理特征可能是它们共聚集倾向的基础。形成杂化原纤维的 TDP-43 和 ANXA11 片段由低复杂性结构域组成，这些结构域经历液-液相分离，这一过程类似于油与水分离的过程。有趣的是，TDP-43 和 ANXA11 在轴突中的溶酶体上一起旅行。它们还共定位在称为应力颗粒的细胞结构中，它们是细胞扰动后形成的蛋白质和 RNA 的浓缩物。ANXA11 的低复杂性结构域对于驱动 ANXA11 和 TDP-43 在应激颗粒中的共定位既必要又充分。由于 FTLD-TDP C 型中杂交 TDP-43-ANXA11 细丝的不同线状聚集体主要发生在轴突和树突中，因此 TDP-43 和 ANXA11 在 RNA 运输过程中的生理相互作用可能是它们在疾病中最终共聚集的基础（图 1）。过去五年的工作探索了相分离的动力学和决定因素，这些相分离涉及彼此不同的蛋白质。此类研究可能特别适用于了解 FTLD-TDP C 型如何发展。

尽管有这些显著的观察结果，但这项研究也有很大的局限性。为了排除组织提取引起的伪影，作者用抗 TDP-43 和 ANXA11 的抗体标记了完整的 C 型脑组织，并使用荧光显微镜观察了这些蛋白质的位置。与他们的初步发现一致，作者发现所有聚集体都显示出 TDP-43 和 ANXA11 的标记。今年早些时候，另一个团队报告了在 FTLD-TDP C 型个体的大量死后脑组织中也有类似的发现12.尽管这些蛋白质在显微镜下的共定位表明杂交细丝可能发生在体内，但不能排除体外结构研究所需的细丝制备引起的伪影。使用先进技术的未来结构研究，例如用于表征阿尔茨海默病患者死后脑组织中淀粉样蛋白 β 和 tau 蛋白的亚细胞定位的技术— 将需要原位验证杂交 TDP-43 和 ANXA11 细丝的存在和定位。

最后，作者观察到蛋白质丝的分子量大大大于基于结构的预测。由于冷冻电镜通常仅在解析重复结构方面准确，因此这表明细丝可能被额外的 ANXA11 和 TDP-43 氨基酸残基的“模糊涂层”包围。需要进一步的研究来解析这些残基是什么，以及它们如何影响构成光学显微镜所见的较大聚集体的相邻细丝之间的关系。

展望未来，单个杂交原纤维的发现应该促使在神经退行性变范围内寻找更多的杂交原纤维，从已知与 TDP-43 共聚集的蛋白质开始，例如 RNA 结合蛋白共济失调素-2 和 hnRNPA2。在相关疾病（如运动神经元病（肌萎缩侧索硬化症）、包涵体肌炎和边缘系统为主的年龄相关性 TDP-43 脑病（称为 LATE））中可见的 TDP-43 聚集体中是否存在杂交原纤维？在 FTLD-TDP C 型以外的疾病中，ANXA11 聚集体的原纤维结构是什么，例如与家族性 ALS 或由编码 ANXA11 的基因突变引起的额颞叶痴呆相关的疾病?

最后，C 型细丝的杂交性质表明 ANXA11 可影响 TDP-43 原纤维的形成和稳定性，从而改变疾病进展和严重程度。靶向 TDP-43 和 ANXA11 之间的相互作用——假设这可以在不破坏潜在关键生理相互作用的情况下完成——可能为神经退行性变提供新的治疗途径。    

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08024-5