Strukturel model for fysiologiske tau-mikrotubuli-interaktioner kaster lys over neurologiske sygdomme

Forskere ved Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) og University of California, Berkeley har kombineret banebrydende kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) med beregningsmolekylær modellering for at producere en nær atomopløselig model af interaktionen mellem mikrotubuli-afgørende komponenter i eukaryot celle ultrastruktur-og mikrotubuli-associerede proteiner kaldet tau.

Modellen giver indsigt i, hvordan tau stabiliserer mikrotubuli, og hvad gør det dissocieret at danne tau -aggregater, eller "floker, "i nogle neurologiske sygdomme - herunder Alzheimers sygdom - kaldes generelt tauopatier.

Mikrotubuli spiller en vigtig rolle for at opretholde celleform, muliggøre nogle former for bevægelse, lette intracellulær transport, og adskillelse af kromosomer under mitose. Hver mikrotubuli er en hul cylinder, der består af tretten parallelle protofilamenter af tubulinprotein.

Tau hjælper med at holde mikrotubuli stabile og organiserer dem i bundter. Mutationer eller post-translationelle ændringer, såsom hyperphosphorylering, som formindsker taus affinitet for mikrotubuli menes at bidrage til dannelsen af ​​tau -tangles.

Holdet, ledet af Eva Nogales, en højtstående fakultetsforsker i Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) Division på Berkeley Lab og en Howard Hughes Medical Institute -efterforsker og professor ved UC Berkeley, brugte cryo-EM til billede af native full-length voksen tau bundet til mikrotubuli med en samlet opløsning på 4,1 A ?. De viste, at tau fastgøres i længderetningen langs toppen af ​​tubulinfilamenterne, et fund i overensstemmelse med en tidligere lavopløselig cryo-EM undersøgelse.

Tau er et iboende uordentligt protein, der omfatter et projektionsdomæne, et mikrotubuli-bindende område med fire ufuldkomne sekvens-gentagelser, og et C-terminal domæne. Tubulin er en dimer, hvilket betyder et sammenkoblet par af nært beslægtede polypeptider, i dette tilfælde α-tubulin og β-tubulin. Tubulin-dimerne bliver spændt sammen (eller polymeriserer) fra hoved til hale for at danne de protofilamenter, der udgør mikrotubuli.

"I betragtning af omfattende litteratur om dens mangel på regelmæssig struktur, vi var ikke sikre på, at tau faktisk ville danne ordnede interaktioner med tubulin, "sagde Elizabeth Kellogg, en postdoktor i Nogales 'laboratorium og co-førsteforfatter på papiret, der præsenterer værket, offentliggjort 10. maj i tidsskriftet Videnskab .

For at teste hypoteser om, hvilke tau -rester der er involveret i binding til tubulin, de skabte derefter syntetiske tau-konstruktioner med mikrotubuli-bindende områder bestående af fire identiske gentagelser og afbildede dem, der også var knyttet til mikrotubuli (samlet opløsning 3.2-3.9 Å). Simon Poepsel, en postdoktor i Nogales 'laboratorium, havde arbejdet med amyloid-formen af ​​tau som kandidatstuderende og var med til at rense og forberede prøverne til cryo-EM.

"Da vi endelig kunne se længden af ​​en tau -gentagelse og se, at den havde en defineret struktur og bindingssted, vi indså, at tau faktisk dannede specifikke interaktioner med tubulinoverfladen, "Sagde Kellogg." Da vi var i stand til at forene det med længden af ​​en gentagelse og de sekvensoplysninger, vi havde, det var nøglen, vi havde brug for for at finde ud af, hvordan vi kan forbedre rekonstruktionerne tilstrækkeligt til at muliggøre atommodellering. "

Holdet vendte sig derefter til Rosetta, en omfattende pakke beregningsmodelleringsværktøjer til forudsigelse af de tredimensionelle atomstrukturer af makromolekyler ud fra aminosyresekvensinformation, baseret på konformationen med den laveste energitilstand. Højopløselige cryo-EM-kort tillod teamet at sætte begrænsninger på den overordnede form af det molekylære kompleks, øge modellens troværdighed, Forklarede Nogales.

Frank DiMaio, an associate professor in department of biochemistry and the Institute for Protein Design at the University of Washington, contributed his expertise working with the Rosetta platform, particularly the "fit to density" function using cryo-EM data.

Rosetta structure predictions for two different synthetic tau constructs converged on the same solution:a backbone stretch of 27 residues spanning three tubulin monomers. "The identical sequence register and atomic details from two independent maps underscores the robustness of our solution and provides high confidence in the accuracy of our atomic models, " Nogales said.

"Our structure shows how tau's main contact with the microtubule surface is at the interface between tubulin subunits, serving as a 'stapler' to promote the association between tubulin subunits and explaining how tau promotes microtubule stability, " said Kellogg. "The structure also explains how tau phosphorylation leads to its dissociation from microtubules."

Phosphorylation of the serine at position 262 (universally conserved among tau repeats) has been observed to attenuate microtubule binding and is a marker of Alzheimer's disease. The model shows that phosphorylation at this crucial anchor point would disrupt interaction between tau and the microtubule and thus cause the "staples to fall off". Additional residues that are critical for tau-microtubule binding were identified as well.