“Tau蛋白是一種微管相關蛋白，可促進神經元微管的組裝和穩定性。tau蛋白積聚為不溶性聚集物，稱為神經纖維纏結(NFTs)，由于tau蛋白聚集而造成的幾種神經退行性疾病統稱為tauopathies。

 

科學家普遍認為在非功能性蛋白形成之前，小的可溶性tau蛋白寡聚物會引起毒性。然而到目前為止，現有的技術還不能在生理或病理條件下對tau蛋白單體和其寡聚物在細胞內的空間分布做到可視化。在這里，我們使用新一代超分辨顯微鏡，發現了tau蛋白在微管上形成低聚復合物，這些低聚復合物不同于那些在顯示tau蛋白聚集的細胞中發現的蛋白寡聚物，這可能是病理中聚集tau蛋白的前體。”

 

作者在本文中構建了多種不同的細胞模型，并對微管上的tau蛋白低聚復合物在納米尺度上進行了詳細、定量的表征，為研究tau蛋白在體內聚集的機制以及篩選出可能的作用靶點和開發破壞這些病理性寡聚物的藥物打開了大門。 

 

《Tau forms oligomeric complexes on microtubules that are distinct from tau aggregates》

 

01
研究結果

 

1. 在非聚集條件下微管相關的tau蛋白是部分低聚復合物

 

為了確定非聚集條件下與微管相關的tau蛋白如何分布，作者在各種工程細胞模型中進行了單分子定位顯微鏡(SMLM)：一個穩定的BSC-1細胞系，融合有綠色熒光蛋白，并組成性地表達野生型(WT) tau蛋白的3R亞型(GFP; BSC-1 3R-WT-GFP tau)；瞬時表達WT- tau 4R亞型，且融合有GFP的BSC-1細胞(BSC-1 4R-WT-GFP tau)；以及在多西環素(Dox)控制下穩定表達FTDP-17突變的GFP標記的QBI-293細胞株(QBI-293 Clone4.0 4R-P301L-GFP tau,以下稱Clone 4.0)。

 

正如預期的那樣，tau的表達導致了微管密度和微管捆綁的增加，這與已知的tau蛋白促進微管聚合和捆綁的功能一致。作者的分析表明，觀察到的tau納米團簇包含有與微管相關的tau低聚分子，在神經元生理條件和工程細胞系非聚集條件下，tau蛋白主要與微管相關，與微管相關的部分tau蛋白形成二聚體和三聚體復合物。

 

圖1. 在非聚集條件下微管相關的tau蛋白是部分低聚復合物
 

A．在表達4RP301L- GFP tau的Clone 4.0細胞（QBI-293 Clone 4.0 4R-P301L-GFP tau）中，經過Dox誘導tau蛋白表達后，用Alexa Fluor 647偶聯的GFP納米抗體染色得到tau蛋白的超分辨率圖像；B. 穩定表達3R-WT-GFP tau蛋白的BSC-1細胞中，用Alexa Fluor 647偶聯的GFP納米抗體染色后得到的tau蛋白的超分辨率圖像；C. 利用tau低聚物特異性T22抗體在表達4R-P301L-GFP tau的克隆4.0細胞中檢測tau寡聚物的超分辨率圖像；D. 在不同細胞系中的tau蛋白納米團簇；E. 經過Dox誘導tau蛋白表達后，表達4R-P301L-GFP tau蛋白的Clone 4.0細胞中α-tubulin(洋紅色)、總tau蛋白(青色)的雙色超分辨率共定位圖像；F. 經過Dox誘導tau蛋白表達后，在表達4R-P301L-GFP tau的Clone 4.0細胞中tau低聚物特異性T22抗體(洋紅色)、總tau蛋白(青色)的雙色超分辨率共定位圖像；G. tau納米團簇與α-tubulin、T22、Thr231和AT8抗體共定位的百分比；H.用能夠檢測所有tau蛋白亞型的tau-5抗體染色后得到的大鼠海馬神經元中tau蛋白的超分辨圖像；I.用tau低聚物特異性T22抗體檢測大鼠海馬神經元中tau低聚物的超分辨圖像。

 

2.  細胞中展示出Tau聚集特性的Tau低聚物與非聚集Tau細胞模型中的Tau低聚物不同  

 

為了確定tau蛋白聚集物的納米尺度上的分布和組成，作者使用了一個工程細胞系來模擬tau蛋白聚集：在Dox誘導下表達4R-P301L-GFP tau蛋白的QBI-293 Clone4.1細胞，將其稱為Clone 4.1，它是Clone 4.0的一個亞克隆，通過體外重組tau纖維外源性轉導親本克隆(Clone 4.0)誘導tau聚集而獲得，在Dox存在時，它能穩定地維持tau聚集。為了再次確定這些聚集的tau細胞中的低聚tau蛋白的百分比以及胞質和微管相關tau蛋白的數量，我們對tau與α-tubulin/ T22分別進行了雙色超分辨成像。結果表明，在含有tau聚集物的細胞中存在有大于3個tau蛋白組成的寡聚體，這些聚集物在非聚集條件下不存在，并且部分與微管相關。此外，在FTDP-17細胞模型中，不同范圍的較大tau聚集物一起破壞了微管網絡的完整性。  

 

圖2. 含有Tau聚集體的細胞中的Tau寡聚體與非聚集Tau細胞模型中的Tau寡聚體不同
 

A. 在經過DOX誘導tau蛋白表達后，穩定表達4R-P301L-GFP的Clone 4.1細胞中，tau蛋白低聚物復合體的超分辨圖像；B. Clone 4.0與Clone 4.1細胞系中tau蛋白納米團簇分布對比；C. 在經過DOX誘導tau蛋白表達后，穩定表達4R-P301L-GFP的Clone 4.1細胞中，α-tubulin(洋紅色)、總tau蛋白(青色)的雙色超分辨率共定位圖像；D. 在經過DOX誘導tau蛋白表達后，穩定表達4R-P301L-GFP的Clone 4.1細胞中, 通過tau寡聚物特異性T22抗體(洋紅色)、總tau(青色)，檢測到的tau蛋白低聚物復合體；E. Clone 4.0與Clone 4.1細胞系中tau蛋白納米團簇與微管蛋白共定位分布對比。

 

02
研究總結

 

本項研究于2021年5月發表在PNAS雜志上，研究者主要借助STORM技術來破譯tau蛋白聚集的奧秘。文中用到的新一代超分辨熒光顯微鏡系統Nanoimager，集成了3D隨機光學重構技術（3dSTORM）、雙通道同時成像技術等，以納米級觀測精度、高穩定性、廣泛環境適用、快速成像、簡易操作等優異特性，獲得了超過50家科研小組和100多位科研人員的高度認可。

 

03
參考文獻

 

1. Gyparaki, M. T., et al. (2021). "Tau forms oligomeric complexes on microtubules that are distinct from tau aggregates." Proceedings of the National Academy of Sciences 118(19): e2021461118.

 

 

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