Nat. Chem. |模仿疾病相关tau蛋白折叠的大环肽

    大家好，今天为大家分享一篇最近发表在Nature Chemistry上的文章，题目为Macrocyclic β-arch peptides that mimic the structure and function of disease-associated tau folds。这篇文章的通讯作者是美国圣母大学的Juan R. Del Valle。

    Tau病（如阿尔茨海默症、进行性核上性麻痹等）以脑内tau蛋白异常聚集为特征。错误折叠的tau蛋白通过“朊病毒样”传播机制诱导正常可溶性tau蛋白纤维化，但不同疾病中tau蛋白原纤维的交叉β淀粉样结构（cross-β amyloid）存在差异，其构象如何影响种子活性尚不明确。现有研究集中于解析患者来源tau蛋白的结构，但缺乏可模拟病理折叠的小分子工具，阻碍了疾病模型的建立和药物开发。本文作者设计了一类能够模拟tau蛋白病理核心结构的微型多肽（mini-tau），验证其诱导内源性tau蛋白聚集的活性，并解析其构象与疾病相关折叠的相似性。

图1. 基于病理tau蛋白结构的mini-tau设计

    在本研究中，作者基于AGD（嗜银颗粒病）、CBD（皮质基底节变性）等4R tau病的冷冻电镜结构，选取包含β-arch基序（如H299-S305、K294-D314等极性相互作用）的核心区域，并将关键的相互作用残基替换为半胱氨酸，再通过双溴化物交联（如间二甲苯、吡啶连接基）形成刚性大环结构。（图1）

图2. mini-tau大环的合成及聚集行为表征

    作者使用传统固相多肽合成方法合成了4种（DK、HS、KD、HY）mini-tau序列，并使用5种不同的双溴化物实现mini-tau半胱氨酸侧链交联，共构建了20种mini-tau大环，接着用分析型HPLC表征纯度，高分辨质谱确认分子量。作者使用硫磺素T（ThT）荧光法检测了纯化后的mini-tau大环在生理条件下的聚集行为，实验结果显示有17种mini-tau大环在孵育24h后表现出了显著的聚集。（图2）

图3. 在工程化细胞中验证mini-tau大环的种子活性

    接下来，作者在细胞层面探究了mini-tau大环的种子活性。作者使用脂质体转染的方式将20种mini-tau大环“种子”递送进表达突变tau（P301L/V337M）-YFP融合蛋白的HEK293细胞内，如果mini-tau大环可发挥种子活性，则细胞内将会出现荧光聚集斑。结果发现KD-mxyl和KD-pyr（5 μM）染诱导荧光聚集效果最为显著，且其种子活性与环化方式、多肽序列和连接子结构均相关。（图3）

图4. mini-tau大环向β-arch结构的构象转变

    作者进一步使用X射线纤维衍射及冷冻电镜表征了mini-tau大环纤维的结构，X射线纤维衍射显示KD-mxyl与KD-pyr纤维均具有4.8 Å（β链间距）和11.0 Å（层间距离）特征峰，证实纤维中存在平行β折叠。圆二色光谱结果显示未纤维化的mini-tau单体为无规卷曲构象，KD-mxyl纤维化后呈现β折叠构象，KD-pyr纤维化后则呈现更为复杂的构象转变。（图4）

图5. KD-mxyl的冷冻电镜结构

    冷冻电镜结果显示，KD-mxyl可以形成三种纤维，其核心β-arch（I297-Y310）与AGD/CBD患者tau的构象高度一致，关键氢键和侧链相互作用也得以保留（图5）。作者在文中还解释了mini-tau的环化必要性，刚性连接基团的影响以及多态性组装的潜在意义。

图6. KD-mxyl诱导原代神经元中野生型人tau蛋白聚集

    最后，作者使用KD-mxyl及对照组孵育表达野生型人tau蛋白的小鼠体内分离出的海马体神经元，5天后使用免疫荧光法分析神经元细胞内tau蛋白含量，证实了KD-mxyl播种野生型人tau蛋白的种子活性。（图6）

    综上所述，本研究通过大环化将长链tau片段（~30个残基）缩小至14残基，且成功保留种子活性，为研究tau蛋白传播机制提供最小化模型，未来有望作为疫苗表位或抗体开发平台，靶向病理特异性tau构象，为建立体外tau病模型提供工具。

作者：SYM  审校：ZHR

DOI: 10.1038/s41557-025-01805-z

Link: https://doi.org/10.1038/s41557-025-01805-z

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