淺析Tau的折疊結(jié)構(gòu)

當(dāng)天然的非折疊的微管相關(guān)蛋白 tau 蛋白變得過度磷酸化時，在細(xì)胞內(nèi)會形成錯誤折疊的不溶性的絲狀結(jié)構(gòu)。

而在不同的疾病中，tau錯誤折疊的絲狀結(jié)構(gòu)不盡相同，那接下來我就粗略地給大家講一下目前已知的主要八種折疊結(jié)構(gòu)。由于其折疊結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，我們的側(cè)重點主要在于描述這八種折疊結(jié)構(gòu)的差異。所有來自人類疾病的已知tau折疊都有一個共同的有序核心區(qū)，包括R3和R4，以及C端域的10-13個氨基酸。然而，這些折疊在其N端延伸部分有所不同。根據(jù)N端延伸部分的差異我們把這八種折疊結(jié)構(gòu)先分為三大類。首先是AD和CTE折疊，結(jié)構(gòu)中包含3R+4R兩類tau蛋白，但在核心區(qū)中R1和R2部分只包括了C端一個或兩個氨基酸。就像圖里看到的N端上的一點點藍紫色，其余均為R3,R4片段。第二類皮克折疊，代表了唯一已知的僅3R tau蛋白的絲狀結(jié)構(gòu)，前面朱詩韻同學(xué)也說了3Rtau不編碼R2片段，所以pid折疊核心區(qū)包括超過一半的R1，全部的R3,R4但是沒有R2。第三類則是結(jié)構(gòu)中為4R tau蛋白的折疊，其包括R2的全部和R1的一個或兩個殘基。

那我們就先講一下第一類里的AD(FBD,FDD,PART)和CTE折疊。AD折疊核心由八個沿著原絲長度延伸的 β-折疊(β1-8)組成，采用 C 形結(jié)構(gòu)。每個C由一個β-螺旋（β螺旋(beta helix)是一種蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)，由平行的β折疊構(gòu)成，形成一種螺旋的形態(tài)。β螺旋是一種螺旋狀的形態(tài)，但與二級結(jié)構(gòu)α螺旋差別較大。β螺旋的結(jié)構(gòu)通過氫鍵和蛋白質(zhì)相互作用來維持穩(wěn)定。有時也結(jié)合金屬離子。左旋與右旋的β螺旋均已被證明。最簡單的β螺旋是由兩條β折疊片構(gòu)成）區(qū)域組成，該區(qū)域存在三個β-折疊以三角形方式排列，還包括兩個具有跨β螺旋結(jié)構(gòu)的區(qū)域，該區(qū)域①成對的β-折疊彼此反平行。因此，在整個原絲結(jié)構(gòu)中保持了有序、對齊、平行的氫鍵模式。（反平行p折疊時氫鍵平行）讓我們對比一下CTE折疊，可以發(fā)現(xiàn)兩者大體的的p折疊相差不大，但是p螺旋區(qū)域的構(gòu)象存在明顯差異。CTE折疊β-螺旋區(qū)域產(chǎn)生了一個疏水空腔，而AD折疊中不存在這種空腔。從圖片可以很明顯地看到CTE 折疊中該空腔被額外密度完全占據(jù)。那是什么造成了這種構(gòu)象的不同呢？

在 CTE 折疊中，S356 的側(cè)鏈指向內(nèi)，L357 的側(cè)鏈指向外（而在AD折疊中的方向恰好相反），這使得CTE產(chǎn)生更緊密的轉(zhuǎn)彎并阻止 S356 的磷酸化。此外，這種微小的構(gòu)象調(diào)整收緊了341 SEKL 344在 β4 和 β5 之間形成的轉(zhuǎn)彎，并放松了346 FKDRV 350β5 和 β6 之間形成的轉(zhuǎn)彎。同時在AD折疊中，β-螺旋面向內(nèi)部的側(cè)鏈相互緊貼，表現(xiàn)為L344 和 I354的 C α原子之間的距離在阿爾茨海默折疊中為 11.5 埃，而在 CTE 折疊中為 17 埃，所以AD折疊中不存在空腔去容納額外的質(zhì)量。

第一類核心區(qū)主要為R3,R4片段的折疊就講完了。然后是第二類PID折疊，也是目前唯一已知的僅由3Rtau蛋白錯誤折疊形成的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括9條β 鏈（β1-β9）。其中R1 提供β1 和 β2兩條鏈，R3 和 R4 分別提供β3-β5 和 β6-β8三條鏈。這些鏈以類似發(fā)夾的方式被包裝在一起：β1 對 β8，β2 對 β7，β3 對 β6，β4 對 β5。最后一條 β9 鏈則是由 R4 之后的九個氨基酸形成。同時β2 和 β3 之間的 270-Pro（脯氨酸）-Gly（甘氨酸）-Gly-Gly-273 基序產(chǎn)生了一個 omega 形轉(zhuǎn)彎，它在局部壓縮了蛋白質(zhì)鏈，但在兩端仍然保持其方向。相比之下，連接 β5 和 β6 的同源 332-Pro-Gly-Gly-Gly-335 基序形成延伸的 β-螺旋構(gòu)象，補償這些鏈的較短長度。而第三個同源 364-Pro-Gly-Gly-Gly-Gly-367 基序則有助于 發(fā)生180° 轉(zhuǎn)彎，使得 β9 堆積在 β8 的另一側(cè)。

然后是比較復(fù)雜的第三個分類。根據(jù)核心區(qū)折疊層數(shù)，第三類中的五種折疊再一次被劃分成了兩類。CBD和AGD C端結(jié)構(gòu)域?qū)2的一部分包裝為其折疊結(jié)構(gòu)提供了第四層，因此被劃分為一類。那我們先講一下CBD和AGD折疊。CBD折疊存在I型和II型，I型和II型tau絲包含一個共同的原絲，其核心結(jié)構(gòu)（CBD折疊）均由殘基K274-E380組成——即R1的最后一個殘基、R2-R4的所有殘基和之后的12個氨基酸。1型CBD由單條原絲構(gòu)成，而II 型細(xì)絲由成對相同的 I 型原細(xì)絲組成，通過 C2 旋轉(zhuǎn)對稱性相關(guān)。AGD 折疊同樣采用四層有序結(jié)構(gòu)，但其包括三種具有共同原絲核心的細(xì)絲結(jié)構(gòu)。AGD 1 型細(xì)絲是由單個原絲構(gòu)成，包括殘基 273-387（類型 1），而 AGD 2 型細(xì)絲包含兩條具有 C2旋轉(zhuǎn)對稱性的原絲，其結(jié)構(gòu)包括 殘基279-381。由于目前研究還無法解決建立 AGD 3 型細(xì)絲的原子建模結(jié)構(gòu)所需的足夠分辨率，所以只能夠從低分辨率橫截面表明 AGD 3型折疊具有兩條不對稱堆積的原細(xì)絲。那么AGD折疊與CBD折疊的區(qū)別在哪呢？

AGD折疊的有序核心比CBD折疊長7個氨基酸，因此C端部分與R2產(chǎn)生不同的相互作用。同時與CBD空腔相比，AGD R2和C-末端段之間的空腔更小，凈正電荷更少，額外密度更小。

現(xiàn)在我們講一下最后的三種折疊結(jié)構(gòu)PSP,GGT和GPT。PSP 折疊細(xì)絲由單根原絲組成，跨越殘基 272-381。在 PSP 折疊中，R2-4 形成一個三層曲折，在每個重復(fù)結(jié)束時在保守的 PGGG 基序處轉(zhuǎn)向。R3 形成中心層，它在 G323 處彎曲成近直角。沿著這個彎道的外側(cè)，R2 包住整個R3。且該鏈在 R4 的 PGGG 基序處進行了另一個發(fā)夾轉(zhuǎn)彎，C 末端部分形成了一個短的第四層，覆蓋了 R2 的末端。

GGT 折疊原絲則跨越殘基 272-379。GGT 分為三種類型（GGT-I、GGT-II 和 GGT-III）。對于 GGT-I，我們觀察到三種類型的長絲：類型 1 包括具有 GGT 折疊的單個原絲；類型 2 包含兩條具有旋轉(zhuǎn)對稱性的原絲。類型 3 以不對稱的方式包含兩條原絲。GGT 折疊包含與 PSP 折疊基本相同的殘基，并具有類似的 R2-4 三層排列。同樣，鏈也在 PGGG 基序處轉(zhuǎn)向，但與 PSP折疊結(jié)構(gòu)相比，每個轉(zhuǎn)向具有不同的構(gòu)象。C 末端結(jié)構(gòu)域指向相反的方向并以發(fā)夾狀結(jié)構(gòu)緊貼 R4 的末端。GGT 中 R3-R4 界面處的空腔比 PSP 折疊中的大，并且它包含更大的非蛋白質(zhì)密度。

GPT 折疊存在兩種類型的 GPT 細(xì)絲：類型 1 只包含單個原絲；類型 2 細(xì)絲包含兩條原絲，螺桿對稱，形成一個大的、充滿溶劑的空腔。GPT 折疊同樣包含有與 GGT 折疊相同的殘基，并具有類似的三層結(jié)構(gòu)。而在 GPT 2 型細(xì)絲中，兩個對稱的原絲間界面類似于 GGT 3 型燈絲的非對稱界面。同時GPT R2末端的PGGG轉(zhuǎn)角與GGT不同，反而與PSP的R2末端轉(zhuǎn)角相同。