编者按

在不断发展的基于结构的药物设计领域，靶向治疗药物的开发依赖于结构信息的质量和分辨率。针对Tau蛋白的药物开发同样离不开高质量的结构信息。Tau蛋白的不当折叠导致会导致20多种神经系统疾病，并被统称为tauopathies。目前的结构生物学研究试图弄清错误折叠的tau蛋白是如何聚集的，并开发出有效的治疗方法来破坏这一过程从而阻止相关疾病的发生。近日发表的一篇eLife文章中，研究人员使用冷冻电镜来测试体外tau聚集的广泛条件，确定了76个不连续的tau蛋白丝结构，这些结构中的27个是全新的，扩大了我们对tau组装的基础性理解。同时还成功成像了在阿尔茨海默病患者脑部中聚集的淀粉样蛋白-β组成的蛋白纤维。对体外纤维素的清晰表征可以为这些疾病开发出更好的体外模型和抑制组装的治疗药物。

"Cryo-EM Research Is Changing the Way We Look at Neurodegenerative Diseases"

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Tau蛋白在神经元微管的组装和结构中起着关键作用。Tau蛋白的不当折叠导致蛋白质异常地积累成高度结构化的细丝"纤维"，并聚集成显微镜下可见的"团状物"。包括阿尔茨海默症在内的20多种神经系统疾病的特点是Tau蛋白的功能障碍，并被统称为tauopathies。这些疾病中的大多数都与tau基因的突变有关。

虽然tauopathies很容易通过脑细胞中产生纤维团状物后被识别出来，但目前的结构生物学研究试图在分子尺度上弄清单个丝状物形成的原因。最终的目标是清楚地了解错误折叠的tau蛋白是如何聚集的，并开发出有效的治疗方法来破坏这一过程从而阻止相关疾病的发生。冷冻电镜已经成为tau蛋白细丝结构分析的一个重要工具，因为冷冻电镜单颗粒技术可以揭示蛋白细丝聚集过程的近原子分辨率的细节。冷冻电镜已经被用来解决几种tauopathies有关的结构，包括阿尔茨海默氏病、慢性创伤性脑病、皮克氏病和皮质-基质变性。

Tau蛋白丝的结构解析

在不断发展的基于结构的药物设计领域，靶向治疗药物的开发自身依赖于结构信息的质量和分辨率。Tauopathies也不例外，有效的治疗方法可能需要清楚地了解从最初的蛋白质错误折叠一直到最后的纤维缠结的形成的整个过程。值得注意的是，已经发现不同的tauopathies具有不同的tau折叠特征。目前，人们正在努力对tauopathies进行基于结构的分类，提供一个基于细丝折叠的层次组织。通过了解tauopathies的关系，研究人员可以解开疾病进展的具体细节，并最终开发出高度具体的、有针对性的治疗方法。

利用冷冻电镜

推进tauopathy的研究

研究tau的聚集需要对组装过程中的中间物进行控制检查。由于这些观察不能总是在体内进行，蛋白质片段经常被用作蛋白质聚集的体外模型系统。组装表征能够反映体内结构的tau蛋白丝，将是更清楚地了解纤维素形成及其在疾病中的作用的一个关键步骤。冷冻电镜非常适合研究这些瞬时结构，因为一旦达到所需的组装水平，样品就会被冷冻，基本上就可以在实验过程中通过检查 "快照"的方式得到瞬时结构。

直到最近，研究人员一直无法复制在体内发现的确切的tau结构，因为体外的缓冲条件往往不能模仿细胞环境，而且片段并不总是遵循与全长蛋白相同的聚集途径。这不仅导致了不同的蛋白质-蛋白质相互作用，甚至出现了具有相同成分但结构明显不同的原丝（超微结构多态性）。因此通常需要进行分子尺度的分类来区分这些聚合体，但这可能很耗时，而且许多技术要求样品只包含单一结构。通过冷冻电镜单颗粒技术，不仅可以区分不同的样品，甚至在同一溶液中也可以区分多种多态性，因为在数据处理过程中可以对结构相似的类别进行分组。

Tau丝的XY中心切片显示了Tau蛋白在丝中的单层。一条丝由数千层相互堆叠而成。图片由英国剑桥MRC分子生物学实验室的Sofia Lövestam提供。

在最近发表的一篇eLife文章中，研究人员使用高通量冷冻电镜工作流程来测试体外tau聚集的广泛条件。他们能够确定76个不连续的tau丝结构，包括几个疾病中发现的tau蛋白丝的体内构象。这些结构中的27个是全新的，扩大了我们对tau组装的基础性理解。

在对样品制备条件的调查中，他们注意到tau的聚集高度依赖于溶液中的阳离子。虽然镁和钙离子导致了阿尔茨海默病中发现的成对螺旋蛋白丝的形成，但钠导致了与慢性创伤性脑病中所见的tau折叠。这加强了离子条件在Tau集合体的聚集倾向和最终结构中发挥的关键作用。

虽然这项tau研究的重点是将体外组装与体内结构相联系，但也有人直接分析从阿尔茨海默病患者捐赠的脑组织（体外）提取的蛋白丝。冷冻电镜成功成像了由淀粉样蛋白-β组成的蛋白纤维，这种蛋白质也被发现在阿尔茨海默病患者脑部中聚集。对体外纤维素的清晰表征可以为这些疾病开发出更好的体外模型和抑制组装的治疗药物。

值得注意的是，这种高通量的结构表征只有在冷冻电镜技术和工作流程的革新下才有可能。最初的筛选是在较低的分辨率下进行的，通过软件指导加速确定冷冻样品的最佳区域，以便在更高分辨率的仪器上进一步成像。随后的数据分析也因软件自动化而大大加快，该软件无需研究人员的手动输入就能完成大部分的图像处理。

Tauopathy治疗方法的未来

尽管我们对tauopathies的了解越来越多，但仍然没有认可的治疗方法来阻止这些疾病的发展。上述研究强调了细胞环境在tau和其他淀粉样蛋白的聚集倾向和结构中可能发挥的巨大作用。现在迫切需要结构信息，不仅仅是体外的，最好是在细胞环境中的结构信息，以指导开发有针对性的治疗方法，以阻止特定的蛋白质相互作用。

冷冻电镜非常适合提供这种关键信息，特别是随着互补性的冷冻电子显微镜技术的相互联系日益紧密，如单颗粒分析和冷冻层析技术。自动化的工作流程给研究人员提供了一个明确和可靠的方法来生成曾经需要几周甚至几个月才能获得的结构。通过降低数据收集的门槛，研究人员可以专注于优化更精确地代表体内信息的实验条件，并最终在分子尺度看到潜在的治疗药物的方案。这种水平的信息有望革新我们对神经衰退性疾病的理解，以及我们发现和测试这些衰弱性疾病的潜在治疗方法的速度。

水木未来丨视界iss.35Credit@Technology Networks

"Cryo-EM Research Is Changing the Way We Look at Neurodegenerative Diseases"