Molecular Basis of the Tau Aggregation Pathway

Tau 聚集途径的分子基础

• 批准号: 9895602
• 负责人: Songi Han
• 金额: $ 52.95万
• 依托单位: UNIVERSITY OF CALIFORNIA SANTA BARBARA
• 依托单位国家: 美国
• 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
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/9895602
• 关键词: Address; Alternative Splicing; Alzheimer' s Disease; Alzheimer' s disease pathology; Antibodies; Appearance; Automobile Driving; Binding; Biological; Biophysics; Cell model; Cell surface; Cells; Clinical; Complex; Coupled; Cytoplasm; Cytoplasmic Granules; Data; Deposition; Detection; Disease; Electron Microscopy; Electron Spin Resonance Spectroscopy; Electrostatics; Exposure to; Foundations; Goals; Grain; Heparin; Human; Hydrophobicity; Immune; In Vitro; Inclusion Bodies; Kinetics; Knowledge; Label; Laboratories; Learning; Length; Liquid substance; Microtubule Stabilization; Modeling; Molecular; Molecular Chaperones; Molecular Conformation; Molecular Probes; Monoclonal Antibodies; Morphology; Mutation; Nature; Nerve Degeneration; Neurodegenerative Disorders; Neurons; Pathologic; Pathology; Pathway interactions; Phase; Physiologic pulse; Physiological; Population; Post-Translational Protein Processing; Protein Conformation; Proteins; RNA; RNA-Binding Proteins; Research; Research Personnel; Rest; Role; Route; Seeds; Site; Sodium Chloride; Solvents; Spin Labels; Stress; Structure; Sulfate; Surface; System; Tauopathies; Testing; Transfer RNA; Translations; Treatment Efficacy; Variant; Veins; Work; aggregation pathway; base; beta pleated sheet; conformer; design; genetic variant; guided inquiry; heparin proteoglycan; in silico; in vivo; induced pluripotent stem cell; innovation; knowledge base; mRNA Differential Displays; microscopic imaging; molecular dynamics; mutant; nanometer; novel; sarkosyl; self assembly; shape analysis; simulation; tau Proteins; tau aggregation; tau conformation; tau interaction; tau mutation; tool

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.

项目摘要      Tau是一种微管稳定的蛋白质，在神经元中很丰富。这是一种高度可溶的，本质上无序的 蛋白质（IDP）几乎没有天然条件下聚集的趋势。但是，在几个实验下 在包括阿尔茨海默氏病在内的各种神经退行性疾病中，tau可以从 细胞到细胞，并作为细胞内β-折叠纤维矿床聚集。我们的实验室有关键的新数据 关于tau错误折叠和流体相组装的临时，结构和细胞生物学细节 - 该提议的基础。我们的研究团队由细胞生物学家，物理化学家和理论组成 生物物理学家。以迭代方式紧密合作，我们打算确定正常的途径 tau到与疾病相关的tau纤维。该分析的工具包括（a）能够解决的蜂窝系统 体内tau相互作用，并基于各种分子探针间接地构象状态； （b）站点 - 定向自旋标记，电子顺磁共振（EPR）线形状分析和脉冲偶极EPR 确定tau的构象特征； （c）IDP构象的完全原子建模，它们 人口和能量，以及tau高阶组装的粗粒仿真。概念 该提案的流程始于Han Lab的显着观察：当暴露于子杂化时 肝素的量，tau的片段通过纳米表动态延伸，以溶于溶剂的疏水性 PHF6（*）段，能够堆叠成整洁的β-片。该观察结果与外观相关 原纤维，因此我们将此启动步骤称为“途径”播种。 in Vivo，tau众所周知是一个新的 由替代剪接，突变和翻译后修饰控制的构象景观。我们 IDP tau填充不同构型的集合的提议与不同的聚集 根据确切的TAU变体，倾向，原纤维形态和相互作用伙伴。但是， 该合奏中的定义和特定的构象标志是未知的。确定 我们的核心目标是易于聚集的tau变体的构象签名，而缺失的拼图 在将tau构象与细胞相互作用联系在一起时，是聚集中间体的存在和性质。 在这种静脉中，Han Lab发现RNA在体外诱导tau的液态液相分离到蛋白 液滴由弱静电力固定在一起。在体内细胞水平，Kosik实验室发现了tau- tRNA复合物，从而将tau添加到涉及神经变性的RNA结合蛋白列表中， 并能够在细胞质中建立液态液相分离。 tau-tRNA复合物可能是 生理或病理实体 - 我们将通过确定神经元细胞中的位置来获得线索。最后，我们 打算了解tau的构象是否受疾病突变或共同因素的调节，会影响 tau-tRNA复合物的稳定性和体内位置。我们的目标是从固体发现一条详细的路线 从纳米到细胞水平，tau到原纤维，并发现tau聚集的病理实体。