2022年4月，David Eisenberg 教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)從死于 TDP-43 病理學(xué)額顳葉變性的供體大腦中提取了大量的原纖維來研究人腦中 TDP-43 原纖維的結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種完全不同的原纖維。結(jié)果顯示，這些原纖維不是由TDP-43制成的，而是TMEM106b，一種與FTD有已知遺傳聯(lián)系的溶酶體蛋白。
在三月份發(fā)表的三篇論文中，研究人員介紹了TMEM106b原絲的低溫電子顯微鏡結(jié)構(gòu)。原絲核心由跨膜蛋白的一個(gè)135個(gè)殘基的C端片段組成——一個(gè)通常懸掛在溶酶體腔中的結(jié)構(gòu)域，扭曲成下面這種形狀（如下圖所示）需要將結(jié)構(gòu)域從溶酶體膜上脫落。各項(xiàng)報(bào)告的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)均有所不同，但都有一個(gè)共同點(diǎn)：都是由17-19股β鏈組成的曲折片段，它們纏繞成由一個(gè)或兩個(gè)原纖維組成的原纖維。
TMEM106b 細(xì)絲的橫截面，顯示一個(gè)（左）或兩個(gè)（右）具有相同折疊的原絲。 [Courtesy of Schweighauser et al., Nature, 2022.]
研究人員指出，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)帶來諸多問題，其中首要的是，目前TMEM106b原纖維已在多種神經(jīng)退行性疾病中發(fā)現(xiàn)（如下圖），那么它在神經(jīng)退行性疾病中究竟有何影響呢？
跨蛋白質(zhì)病的 TMEM106b。 TMEM106b的原纖維在蛋白質(zhì)的管腔部分裂解后形成。原纖維見于多種蛋白質(zhì)??； 一項(xiàng)研究甚至在健康的老年人中發(fā)現(xiàn)了它們。[Courtesy of Chang et al., Cell, 2022.]
由于Eisenberg教授及其同事之前一直側(cè)重于TDP-43原纖維研究，他們于3月28日在《Nature》雜志上發(fā)表的研究報(bào)告最初僅限于來自 FTLD-TDP患者的腦樣本。Yijiang教授及其同事發(fā)現(xiàn)他們分離出的是 TMEM106b 而不是 TDP-43后，團(tuán)隊(duì)就開始對(duì)四個(gè)腦樣本進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析，每個(gè)樣本都具有不同的病理學(xué)形態(tài)特征。
研究人員確定了 TMEM106b 原纖維的三種超微結(jié)構(gòu)多晶型物，它們都具有相同的核心原絲折疊。多晶型物 1代表了樣品中約 80% 的原纖維由一根原絲組成。具有不同對(duì)稱性的兩條原絲構(gòu)成了另外兩個(gè)多晶型物。共同核心由 TMEM106b 的 120-254 位殘基組成，片段的 N 末端位于折疊中心深處。
“高爾夫球場(chǎng)折疊”中，TMEM106b的C端排列成18條β鏈，片段的N端位于折疊中心深處（左）。 這些原絲相互堆疊（右）。 [Courtesy of Jiang et al., Nature, 2022.]
在18股折疊的過程中，碎片纏繞在自身周圍，原絲核心的C端與N端相遇。研究人員將折疊比作一個(gè)18洞的高爾夫球場(chǎng)。 他們寫道，這 18 條β鏈的長(zhǎng)度（從3到15個(gè)殘基）和曲率各不相同，球道也是。此外，N 端和 C 端彼此靠近，就像高爾夫球場(chǎng)的第 1 洞和第 18 洞在俱樂部會(huì)所附近相鄰（如上圖）。
根據(jù)淀粉樣蛋白原纖維結(jié)構(gòu)的研究成果，18 個(gè)β鏈已高于原絲核心的標(biāo)準(zhǔn)。Aβ、tau、TDP-43 和α-突觸核蛋白原纖維分別包含 5、8、10和12條鏈。研究人員稱，18 條β鏈與多個(gè)立體拉鏈緊密融合在一起，使平均原纖維的穩(wěn)定性增加了三倍。這表明，TMEM106b 原纖維一旦形成，就不容易被分解。
研究人員在任何腦樣本中均未檢測(cè)到由 TDP-43 組成的原纖維，卻在樣品中發(fā)現(xiàn)了RNA結(jié)合蛋白的無(wú)定形聚集體。他們得出結(jié)論，TDP-43 聚集體主要以非原纖維形式存在，而 TMEM106b 是 FTLD-TDP 患者腦樣本中的主要原纖維。
后一個(gè)結(jié)論與劍橋MRC的Benjamin Ryskeldi-Falcon最近領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究結(jié)果不一致。去年，F(xiàn)alcon 報(bào)道了從死于 FTD-ALS 的人的運(yùn)動(dòng)和額葉皮質(zhì)中提取到 TDP-43 原纖維的雙螺旋折疊。
那么Eisenberg 教授研究的樣本中這些 TDP-43 原纖維在哪里呢？ Eisenberg教授解釋，這種差異可能歸結(jié)為供體的不同神經(jīng)病理學(xué)狀況。 Falcon教授并不同意這個(gè)觀點(diǎn)，他指出在兩種神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，TDP-43 內(nèi)含物都聚集在額葉皮層，這個(gè)區(qū)域Eisenberg 教授并沒有檢測(cè)。另外，兩組之間原纖維分離程序存在明顯差異，F(xiàn)alcon小組使用超速離心來沉淀原纖維，而Eisenberg小組使用臺(tái)式離心機(jī)。 Falcon 認(rèn)為，更快的旋轉(zhuǎn)，加上更溫和的洗滌劑，是分離出 TDP-43 原纖維的關(guān)鍵，TDP-43 原纖維沒有TMEM106b原纖維穩(wěn)定和密集。
無(wú)論TDP-43原纖維是否存在，F(xiàn)alcon、Goedert、Scheres 及其同事表示，一年多前，他們注意到一種神秘的原纖維潛伏在多種蛋白質(zhì)病的大腦樣本中。Scheres 教授稱，神秘原纖維的廣泛糖基化模式暴露了它的身份，因?yàn)橐阎?TMEM106b 是高度糖基化的。從原纖維的低溫EM結(jié)構(gòu)中破譯的氨基酸序列也證實(shí)它們是由TMEM106b的 120-254 位殘基構(gòu)成。
Fitzpatrick及其同事于3月4日在Cell上發(fā)表了一篇論文。論文表明，他們使用冷凍電鏡和質(zhì)譜法分析從 11 名患有不同神經(jīng)退行性疾病的人的大腦中分離出的 TMEM106b 原纖維的結(jié)構(gòu) ，包括 FTLD-TDP 8 人，非典型帕金森綜合征 2 人，DLB 1 人。結(jié)果表明，對(duì)照組中并沒有檢測(cè)到由TMEM106b的120-254位殘基組成原纖維，也沒有在他們檢查的PS或DLB病例中發(fā)現(xiàn)它們。相比之下，F(xiàn)TD-TDP病例中都有原纖維，包括一名50多歲死亡的人。
與其他小組的報(bào)告相似，Chang 發(fā)現(xiàn)，在雙線原纖維中，兩條原絲以雙重對(duì)稱的方式排列，并通過一種與K178和R180的側(cè)鏈混合的非蛋白質(zhì)陰離子輔因子結(jié)合。該輔因子還與單線態(tài)原纖維中的 K178 相關(guān)。研究人員推測(cè)，它與其他翻譯后修飾（如糖基化）一起，可以促進(jìn)原纖維的形成。溶酶體的酸性環(huán)境也可能與 TMEM106b 被蛋白酶切割后的原纖維化有關(guān)。但就目前而言，它的身份不明。
Fitzpatrick 實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用特異于 TMEM106b C 端的多克隆抗體通過免疫印跡探測(cè)他們的大腦樣本，檢測(cè)到與 TMEM106b 單體以及高階寡聚體相對(duì)應(yīng)的條帶。他們發(fā)現(xiàn)這些寡聚形式在死于神經(jīng)退行性疾病的人的腦樣本中比在對(duì)照組的樣本中更豐富。這個(gè)發(fā)現(xiàn)證明了 TMEM106b 原纖維化不僅僅是一種與年齡相關(guān)的現(xiàn)象，它在神經(jīng)退行性疾病中起一定作用。
康涅狄格州紐黑文的耶魯大學(xué)在《自然》雜志的一篇隨附社論中稱：鑒于神經(jīng)退行性疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)隨著年齡的增長(zhǎng)而增加，而TMEM106b原纖維會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而積累，那么TMEM106b原纖維的存在可能會(huì)增強(qiáng)由其他因素和蛋白質(zhì)聚集體驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)變性機(jī)制。
TMEM106b 的裂解及其隨后的原纖維化可能是由溶酶體功能障礙引起的，然后情況加劇。 滲漏后，原纖維可能在溶酶體內(nèi)部或外部形成，甚至可能促進(jìn)其他蛋白質(zhì)的聚集[Courtesy of Chang et al., Cell, 2022.]
研究人員一致認(rèn)為，TMEM106b 的蛋白水解切割是導(dǎo)致其原纖維化的關(guān)鍵因素。是什么決定了這種切割以及該蛋白酶的身份，目前仍未可知。Fitzpatrick等人認(rèn)為，有可能溶酶體壓力源（包括年齡甚至顆粒蛋白前體水平的降低）可能會(huì)導(dǎo)致TMEM106b裂解和纖維化。TMEM106b原纖維的積累可能會(huì)產(chǎn)生諸多下游效應(yīng)，使溶酶體功能惡化，并促進(jìn)可疑個(gè)體中其他蛋白質(zhì)的聚集，包括 TDP-43、tau 和 α-突觸核蛋白。 此外，TMEM106b 的纖維化會(huì)損害 TMEM106b 本身的功能，進(jìn)一步加重溶酶體的負(fù)擔(dān)（如上圖）。
列克星敦肯塔基大學(xué)的Peter Nelson認(rèn)為TMEM106b原纖維與 TDP-43的內(nèi)含物相似，不太可能是良性的。也許 TMEM106b 聚集在 FTD、LATE 和其他神經(jīng)退行性蛋白病所表現(xiàn)的巨大臨床和病理變化中發(fā)揮了作用。
奧蘭治堡紐約大學(xué)的Ralph Nixon也指出，最近的研究表明，TMEM106b 與溶酶體 vATP 酶結(jié)合，引發(fā)溶酶體 pH 值升高，從而導(dǎo)致細(xì)胞出現(xiàn)問題。
圣路易斯華盛頓大學(xué)的 David Holtzman 也懷疑 TMEM106B 原纖維在某種程度上是有毒的。結(jié)合以前的數(shù)據(jù)表明，由于顆粒蛋白前體突變，TMEM106b的多態(tài)性會(huì)增加 FTLD-TDP-43 的風(fēng)險(xiǎn)，TMEM106b 聚集成淀粉樣蛋白構(gòu)象不僅與 FTLD-TDP 的發(fā)病機(jī)制直接相關(guān)，還有導(dǎo)致其他淀粉樣蛋白的疾病。
這些重要的發(fā)現(xiàn)將引發(fā)更多新的研究，以了解是什么促使 TMEM106b 聚集，在動(dòng)物和細(xì)胞模型中的后果是什么，以及如何防止其聚集。也許基于TMEM106b，神經(jīng)退行性疾病的研究將更快有所突破。
寧波易賽騰生物科技有限公司 李福云編譯
原文鏈接：
Surprise! TMEM106b Fibrils Found in Neurodegenerative Diseases | ALZFORUM
