创新显微镜揭示淀粉样蛋白结构，可能为神经退行性疾病提供见解

淀粉样蛋白-β（A-beta）聚集体是与阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病最显著相关的蛋白质缠结。然而，尽管它一直备受关注，研究人员仍无法很好地了解A-beta是如何结合和分解的

圣路易斯华盛顿大学电气系统和工程系校友Brian Sun说：“A-beta在包括人脑在内的各种环境中的行为方式难以捉摸。”他现在是医学院的医学博士/博士生。“对生长和衰变的理解还没有完全充实。”

这将发生变化，这要归功于孙最近在《纳米快报》上发表的一项研究，该研究由他与华盛顿大学麦凯维工程学院普雷斯顿·M·格林电气与系统工程系Matthew Lew实验室的同事共同完成。

在这项开创性的工作中，孙和他的同事们能够在淀粉样蛋白原纤维β片组件发生变化的同时测量它们，这是蛋白质聚集的基础梁。以前的高分辨率显微镜研究只得到了静态照片

该论文的第一作者孙说：“我们想专门研究A-beta底层结构的动态，这可能是我们看到的变化的原因，而不仅仅是整体形状的变化。”

Lew用乐高积木做了一个类比，指出目前的成像技术可以显示完整的乐高建筑，但不能看到单个积木是如何组织的

“单个蛋白质总是随着环境的变化而变化，”Lew副教授说。“这就像某些乐高积木导致其他积木改变形状。蛋白质和组装聚集体结构的变化导致神经退行性疾病的复杂性。”Lew实验室开发了一种新型成像技术，使研究人员能够看到以前看不见的生物系统纳米结构的方向和其他细节。他们的技术——单分子定向定位显微镜（SMOLM）——利用化学探针的闪光来可视化Aβ42（一种Aβ肽）下的肽片

使用SMOLM可以让他们观察潜在β片的个体取向，以了解它们的组织之间的关系以及它们与淀粉样蛋白整体结构的关系

重塑Aβ42的多种方法不断变化，第一步是尝试找到一种疯狂的方法，一种预测蛋白质行为的模型或模式

现在Lew实验室可以进行这些测量，他们进行了一些直观的观察，发现了淀粉样蛋白β结构中隐藏的一些惊喜

正如预期的那样，稳定的Aβ42结构倾向于保留稳定的底层β片；生长结构具有潜在的贝塔表，随着生长的继续，贝塔表变得更加清晰和刚性。衰变结构表现出越来越无序和刚性较低的β片。但他们也发现了Aβ42可以更新的不止一种方式

孙说：“Aβ42结构保持稳定、生长和衰变有多种不同的方式。”

研究人员还发现，Aβ42可以以出乎意料的方式生长和衰变。例如，Aβ42可以以保持底层结构的方式生长和衰变；有时，肽会堆积在一起，但潜在的β折叠方向不会改变。在其他情况下，Aβ42经历“稳定衰变”，发生相反的情况，即肽离开，但β片结构仍然存在

最后，Aβ42的贝塔表有时会重新组织和改变方向，而不会立即改变整体形状。这些纳米结构重组可能会导致未来的大规模重塑

孙说：“因为SMOLM可以追踪Aβ42的潜在组织，而不仅仅是它的形状，我们可以看到衍射限制、非定向成像模式看不到的不同类型的重塑亚型。”

如果这一切听起来有点模糊，请记住，这是第一次看到这些不断变化的纳米级结构。更值得注意的是，孙在处理新冠肺炎封锁限制和他在华盛顿大学的本科课程负荷的同时，精心制作了这项工作，他用了三年时间完成了这项任务。这为他和其他人真正掌握淀粉样蛋白结构铺平了道路

在医学博士/博士培训的研究生阶段，孙计划设计纳米级成像系统和传感器，以揭示难以治疗疾病的隐藏机制

Sun感谢McKelvey Engineering和Lew实验室的严格训练，使这项研究和学术轨迹成为可能，并感谢MSTP支持他毕业后的继续研究。“我真的很高兴我经历了这段旅程，”他说 More information: Brian Sun et al, Single-Molecule Orientation Imaging Reveals the Nano-Architecture of Amyloid Fibrils Undergoing Growth and Decay, Nano Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c01263

Journal information: Nano Letters