利用空间分辨红外光谱研究淀粉样蛋白聚集体的结构异质性

《Accounts of Chemical Research》：Investigating Structural Heterogeneities of Amyloid Aggregates with Spatially Resolved Infrared Spectroscopy

　　蛋白质聚集成纤维状淀粉样蛋白是神经退行性疾病病理的核心特征。然而，淀粉样蛋白聚集体结构与疾病进展之间的关系仍未完全阐明，部分原因在于淀粉样蛋白体系本身具有内在异质性：在聚集过程的每个阶段，结构上不同的物种共存，而传统的系综平均方法无法始终将其分辨出来。本文综述了如何将红外光谱与不同的成像模式相结合，从而在多个长度尺度上解析这种异质性：从单颗粒水平到病变脑组织中的淀粉样蛋白物种。我们的研究结果表明：（i）早期tau蛋白纤维表现出显著的结构多态性，但无形态学差异，在成熟过程中收敛为单一优势构象，且出乎意料地包含反平行β-折叠结构；（ii）Aβ42寡聚体异质性从原纤维传递至成熟纤维，其中结构上不同的结构域沿单根纤维共存，证明淀粉样纤维可以显著偏离经典的平行交叉β骨架；（iii）Aβ(16–22)纤维在成熟过程中经由无序中间态经历平行向反平行β-折叠的转变，且无形态学变化，为纤维物种中自发结构重组提供了直接证据。除单一蛋白体系外，（iv）Aβ42在与序列或结构异型种子共聚集时形成结构上不同的混合多态体，在与α-突触核蛋白共聚集时亦然，确立了异型相互作用作为异常聚集体结构的一个被忽视的来源；（v）Aβ与胰岛淀粉样多肽（IAPP）从单体状态共聚集产生独特的异型多态体，其中两种肽段均采取非天然结构，而用预形成的IAPP纤维进行交叉种子化则主要产生同型Aβ聚集体，证明单体阶段的构象柔韧性是异型纤维形成的必要条件。这些分子水平的发现得到组织尺度证据的补充：（vi）离散频率红外成像揭示阿尔茨海默病脑中的淀粉样斑块存在化学和结构异质性，而这些异质性在形态学上并不体现，与体外观察一致；（vii）脑血管淀粉样变性（CAA）中血管淀粉样沉积物的光热红外（O-PTIR）光谱成像显示反平行β-折叠含量随疾病阶段依赖性增加，且与共定位的脂质特异性相关，可通过体外将Aβ40与脂质提取物共聚集来重现。综上所述，这些发现支持了结构异质性并非仅是体外条件的假象，而是一种可在人脑组织中持续存在的性质的观点，并说明了空间分辨红外光谱如何补充冷冻电子显微镜（cryo-EM）和固态核磁共振在淀粉样蛋白病理研究中的应用。