結構生物化學/蛋白質/理解阿爾茨海默病β-澱粉樣蛋白結構的最新進展
β-澱粉樣蛋白肽作為澱粉樣蛋白前體蛋白的蛋白水解片段存在於人腦中，具有兩親性結構，具有親水的N端和疏水的C端。研究最多的兩種Aβ同種型是Aβ(1-40)和aβ(1-42)，它們分別包含40和42個殘基。十多種單點序列變異與類似形式的阿爾茨海默病有關。這些同種型很重要，因為Aβ澱粉樣蛋白纖維形成腦實質中澱粉樣蛋白斑塊的中心，它們與阿爾茨海默病相關。科學家一直試圖確定這些同種型的結構，但它們無法在實驗室中分離或純化。因此，沒有可靠的Aβ澱粉樣蛋白纖維結構資訊。這對需要這些結構資訊來理解其生物學特性的科學家來說是一個挑戰。
β-澱粉樣蛋白 (Aβ) 肽存在於人腦中，是澱粉樣蛋白前體蛋白的蛋白水解片段，具有兩親性結構，具有親水的 N 端和疏水的 C 端。研究最多的兩種 Aβ 同種型是 Aβ(1-40) 和 aβ(1-42)，它們分別包含 40 和 42 個殘基。十多種單點序列變異與類似形式的阿爾茨海默病有關。這些同種型很重要，因為 Aβ 澱粉樣蛋白纖維形成腦實質中澱粉樣蛋白斑塊的中心，它們與阿爾茨海默病相關。科學家一直試圖確定這些同種型的結構，但它們無法在實驗室中分離或純化。因此，沒有可靠的 Aβ 澱粉樣蛋白纖維結構資訊。這對需要這些結構資訊來理解其生物學特性的科學家來說是一個挑戰。
澱粉樣蛋白纖維是具有交叉β結構的纖維狀多肽聚集體。在交叉β結構中，β-摺疊平面和連線β-鏈的骨架氫鍵平行於軸線定位，而β-鏈垂直於軸線執行。對這些結構的進一步研究表明，這些肽具有稱為空間拉鍊的東西。空間拉鍊由一對兩個交叉β摺疊片組成，具有交錯的側鏈。它們由許多短肽鏈形成，如 Aβ 殘基 37-42 或 35-40。此外，空間拉鍊的結構與澱粉樣蛋白纖維的脊柱相似。
透射電子顯微鏡 (TEM) 和原子力顯微鏡已經觀察到，成熟的澱粉樣蛋白纖維的長度大於 1 μm，而以前分析的纖維被認為長度約為 25 nm。成熟的 Aβ 澱粉樣蛋白纖維具有一個或多個原纖維。澱粉樣蛋白原纖維透過 TEM 發現建立了成熟纖維的亞結構，表明這些纖維是左旋扭曲的，具有極性。研究這些結構表明，澱粉樣蛋白纖維存在結構多型性的結構特徵。結構多型性是指纖維 3D 重建的多肽構象的可變性，揭示了纖維的不同之處在於
- (i) 原纖維數量
- (ii) 不同的內部原纖維亞結構
- (iii) 相對原纖維方向
除了結構多型性（或樣本間多型性）之外，使用單顆粒技術對 Aβ 纖維樣本的研究表明，存在大量的樣本內多型性。例如，對在 pH 值為 9 的 50 mM 硼酸鈉中產生的 Aβ(1-40) 纖維的分析表明纖維寬度存在差異（13 至 29 nm）；然而，大多數纖維顯示出 100 至 200 nm 的交叉距離。因此，存在廣泛的形態學，尤其是在纖維在鈉或氯化鉀（緩衝系統）中生長時。
除了多型性之外，結構變形是澱粉樣蛋白樣本異質性的另一個原因。這些變形會彎曲和扭曲自身，儘管這些可能會為結構分析帶來更多潛在問題，但它們可用於理解澱粉樣蛋白纖維的奈米級機械特性。
尚未發現全長 Aβ 纖維的原子結構，因為
- 還沒有任何纖維能夠形成適合 X 射線晶體學的晶體
- 纖維太大，不適合 NMR 技術。
然而，固態 NMR 和冷凍電鏡已被發現可能在原子解析度下確定 Aβ 澱粉樣蛋白纖維的結構。
固態 NMR 可以確定結構約束，如化學位移值、鍵角和/或特定原子間距離，從而識別連線到纖維 β 摺疊結構的 Aβ 澱粉樣蛋白殘基。
冷凍電鏡可以可視化纖維的結構並計算其 3D 密度。因此，觀察單個纖維可以確定特定的纖維形態。
冷凍電鏡已經發現了 Aβ 纖維的原纖維亞結構。原纖維的橫截面尺寸為 4 x 11 nm，橫截面細分為準二倍對稱 (4 x 5 nm)，具有兩個周邊區域。Aβ(1-40) 纖維包含兩個原纖維，而 Aβ(1-42) 纖維僅包含一個原纖維。Aβ(1-42) 纖維中的單原纖維具有兩個形狀相同的周邊區域，完全暴露在溶劑中，並且結構無序。相反，雙原纖維 Aβ(1-40) 纖維在原纖維-原纖維介面處具有弓形周邊區域。另一個周邊區域是暴露在溶劑中且結構無序的區域。
Aβ(1-42) 肽比 Aβ(1-40) 肽更具致病性。例如，當它在果蠅中表達時，Aβ(1-40) 肽具有很高的毒性，會將動物的壽命縮短一半；然而，Aβ(1-40) 則沒有明顯的表型。儘管存在這種差異，但它們的化學性質非常相似（前 40 個殘基相同），這導致了它們構象特性的相似性。一些差異包括 Aβ(1-42) 肽具有額外的兩個 C 端殘基，以及 Aβ(1-40) 的更高聚集傾向。此外，Aβ(1-42) 會影響 Aβ(1-40) 的聚集機制，從而阻止成熟的 Aβ(1-40) 纖維的形成。
根據這兩種肽的冷凍電鏡研究，它們在原纖維堆積方面存在差異。Aβ(1-40) 纖維具有單原纖維排列或具有空心核心的雙原纖維排列。但總的來說，這兩種纖維的原纖維非常相似。例如，它們都可以產生相同的 mPL 值、橫截面積和形狀，並且原纖維的橫截面在中心一個區域和兩個外圍區域有類似的劃分。因此，它們具有相似的肽摺疊。此外，根據紅外光譜和核磁共振資料，它們都得出的結論是，兩種纖維都具有平行 β 摺疊結構。
Fandrich, Marcus, Matthias Schmidt 和 Nikolaus Grigorieff。“瞭解阿爾茨海默病 β-澱粉樣蛋白結構的最新進展。”《生物化學趨勢》36.6 (2011) 338-345。學術搜尋完整版。網路。2012 年 11 月 21 日。