Molecular Basis of the Tau Aggregation Pathway

Tau 聚集途径的分子基础

基本信息

  • 批准号:
    9895602
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 52.95万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-04-01 至 2022-03-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY      Tau is a microtubule-­stabilizing protein that is abundant in neurons. It is a highly soluble, intrinsically disordered  protein (IDP) with little tendency for aggregation under native conditions. However, under several experimental  conditions and in a variety of neurodegenerative disorders including Alzheimer’s disease, Tau can spread from  cell  to  cell  and  aggregates  as  intra-­cellular  β-­sheet  fibrilar  deposits.  Our  laboratories  have  critical  new  data  concerning the temporal, structural and cell biological details of Tau misfolding and fluid-­phase assembly—the  basis  of  this  proposal.  Our  research  team  consists  of  a  cell  biologist,  a  physical  chemist,  and  a  theoretical  biophysicist. Working together closely in an iterative manner we intend to determine the pathway from normal  Tau to disease-­related Tau fibrils. The tools for this analysis include (a) cellular systems capable of addressing  in vivo Tau interactions, and indirectly its conformational state based on a variety of molecular probes;; (b) site-­ directed spin labeling, electron paramagnetic resonance (EPR) line shape analysis and pulsed dipolar EPR to  determine  conformational  signatures  of  Tau;;  and  (c)  fully  atomistic  modeling  of  IDP  conformations,  their  populations and energetics, and coarse-­grained simulation of higher-­order assemblies of Tau. The conceptual  flow of the proposal begins with a remarkable observation from the Han lab: When exposed to sub-­stoichiometric  amounts of heparin, segments of Tau dramatically extend by a nanometer to solvent-­expose the hydrophobic  PHF6(*)  segment  capable  of  stacking  into  neat  β-­sheets.  This  observation  correlates  with  the  appearance  of  fibrils, and thus we refer to this initiating step as “on pathway” seeding. In vivo, Tau is known to populate a vast  conformational landscape controlled by alternative splicing, mutations and post-­translational modifications. We  propose  that  the  IDP  Tau  populates  an  ensemble  of  different  conformations  with  different  aggregation  propensities,  fibril  morphologies  and  interaction  partners,  depending  on  the  exact  Tau  variant.  However,  the  defining  and  specific  conformational  signatures  within  this  ensemble  are  unknown.  Determining  the  conformational signatures of aggregation-­prone Tau variants is our core objective, while a missing puzzle piece  in connecting Tau conformation to cellular interactions is the existence and nature of aggregation intermediates.  In this vein, the Han lab discovered that RNA induces liquid-­liquid phase separation of Tau in vitro into protein  droplets held together by weak electrostatic forces. At the in vivo cellular level, the Kosik lab discovered Tau-­ tRNA complexes, thereby adding Tau to the growing list of RNA-­binding proteins involved in neurodegeneration,  and capable of establishing liquid-­liquid phase separation in the cytoplasm. The Tau-­tRNA complexes may be a  physiologic  or  pathological  entity—we  will  obtain  clues  by  determining  their  loci  in  neuronal  cells.  Finally,  we  intend to learn whether the conformation of Tau, as modulated by disease mutations or co-­factors, influences  the stability and in vivo locality of the Tau-­tRNA complexes. Our goal is to discover a detailed route from soluble  Tau to fibrils, from the nanometer to the cellular level, and discover the pathological entities of Tau aggregation.
项目概要   Tau 是一种微管稳定蛋白,在神经元中含量丰富。它是一种高度可溶的、本质上无序的蛋白。 蛋白质(IDP)在天然条件下几乎没有聚集倾向。然而,在几个实验下 在包括阿尔茨海默病在内的各种神经退行性疾病中,Tau 蛋白可以从 我们的实验室拥有重要的新数据。 关于 Tau 错误折叠和液相组装的时间、结构和细胞生物学细节 - 我们的研究团队由一名细胞生物学家、一名物理化学家和一名理论家组成。 生物物理学家以迭代的方式密切合作,我们打算确定正常的途径。 Tau 到疾病相关的 Tau 原纤维。用于此分析的工具包括 (a) 能够处理的细胞系统。 体内 Tau 相互作用,以及基于各种分子探针的间接构象状态;(b) 位点- 定向自旋标记、电子顺磁共振 (EPR) 线形分析和脉冲偶极 EPR 确定 Tau 的构象特征;以及 (c) IDP 构象的完全原子建模及其 种群和能量学,以及 Tau 高阶组装的粗粒度模拟。 该提案的流程始于汉实验室的一个显着观察:当暴露于亚化学计量时 在一定量的肝素作用下,Tau 片段显着延伸一纳米,从而使疏水性暴露在溶剂中 PHF6(*) 片段能够堆积成整齐的 β-折叠,这一观察结果与 的外观相关。 纤维,因此我们将这一起始步骤称为“途径”播种 在体内,Tau 蛋白会大量繁殖。 由选择性剪接、突变和翻译后修饰控制的构象景观。 提出 IDP Tau 填充具有不同聚合的不同构象的集合 倾向、原纤维形态和相互作用伙伴,具体取决于 Tau 变体。 该集合中的定义和具体构象特征是未知的。 易于聚集的 Tau 变体的构象特征是我们的核心目标,同时也是一个缺失的拼图。 将 Tau 构象与细胞相互作用联系起来的是聚集中间体的存在和性质。 在这方面,Han 实验室发现 RNA 在体外诱导 Tau 液-液相分离成蛋白质。 Kosik 实验室在体内细胞水平上发现了 Tau-,通过微弱的静电力将液滴结合在一起。 tRNA 复合物,从而将 Tau 添加到参与神经退行性变的不断增长的 RNA 结合蛋白列表中, 并能够在细胞质中建立液-液相分离。 Tau-tRNA 复合物可以是 a. 生理或病理实体——我们将通过确定它们在神经元细胞中的位点来获得线索。 打算了解受疾病突变或辅助因子调节的 Tau 构象是否会影响 Tau-tRNA 复合物的稳定性和体内定位 我们的目标是发现可溶性的详细途径。 Tau到原纤维,从纳米到细胞水平,发现Tau聚集的病理实体。

项目成果

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