若干金屬離子對Tau多肽自聚集的影響及其機(jī)理.pdf

1、以阿爾茨海默病(Alzheimer's Disease,AD)為代表的老年癡呆癥,是目前世界范圍內(nèi)老齡人口普遍面臨的主要健康威脅之一,是老齡化社會急需解決而又尚未攻克的難題。阿爾茨海默病的主要病理特征包括兩個方面:(1)在神經(jīng)細(xì)胞外,由β-淀粉樣蛋白(Aβ)異常聚集形成的老年斑(SP)；(2)在神經(jīng)細(xì)胞內(nèi),由Tau蛋白異常聚集形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFT)。多年來,有關(guān)阿爾茨海默病病理機(jī)制的研究主要集中在這兩種蛋白質(zhì)上,但其異常聚集的分子

2、機(jī)理至今尚未完全闡明。
　　 阿爾茨海默病的發(fā)病率,除了表現(xiàn)出家族性特征,即與遺傳(基因)等因素有關(guān)外,還可能跟地域、環(huán)境、飲食結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明,阿爾茨海默病病人的不同器官組織、腦脊液和血液中金屬離子的含量比對照組明顯增高,說明金屬離子與阿爾茨海默病之間,具有不同程度的相關(guān)性。
　　 隨著阿爾茨海默病病理研究的不斷深入,若干具有神經(jīng)毒性的金屬離子在阿爾茨海默病發(fā)病機(jī)制中所起的作用,已引起廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)報道的工

3、作,主要集中于金屬離子與Aβ肽鏈間的相互作用,及其對Aβ異常聚集的影響等。但另一方面,有關(guān)金屬離子和Tau蛋白的相互作用、金屬離子對Tau聚集過程的影響,則少有文獻(xiàn)報道。
　　 前期結(jié)果表明:Tau蛋白肽鏈微管結(jié)合區(qū)域,是發(fā)生聚集作用的關(guān)鍵區(qū)段,而其中第三重復(fù)單元是引發(fā)聚集的核心位置,因此本文選擇與Tau微管結(jié)合域第三重復(fù)單元相對應(yīng)的多肽片段R3,作為研究對象。通過熒光光譜、透射電鏡、圓二色和拉曼光譜等物理方法,以Tau蛋白R3

4、多肽作為實驗樣品,首次考察了若干神經(jīng)毒性金屬離子如Cd(Ⅱ)等,以及一些其他金屬離子Zn(Ⅱ)等,對R3多肽自聚集影響,初步闡明金屬離子與Tau蛋白肽鏈的作用模式,及其對Tau異常聚集影響的機(jī)理。主要研究結(jié)果,總結(jié)如下:
　　 (1)以ThS為探針分子,使用熒光光譜法,首次對神經(jīng)毒性金屬離子Cd(Ⅱ)、Al(Ⅲ)、Hg(Ⅱ)、Ag(Ⅰ)和Pb(Ⅱ),以及Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)對R3多肽自聚集動力學(xué)過程影響進(jìn)行了系統(tǒng)考

5、察。發(fā)現(xiàn)金屬離子Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Ag(Ⅰ)和Cu(Ⅱ)對R3的自聚集有促進(jìn)作用,而Al(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)離子先抑制,后促進(jìn)R3的自聚集；單獨的金屬離子Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)或Cu(Ⅱ)也能引發(fā)R3多肽聚集,雖然其自聚集速度較小。這一實驗結(jié)果,首次從神經(jīng)纖維性纏結(jié)--Tau蛋白異常聚集的機(jī)制,為阿爾茨海默病與這些金屬離子之間可能具有的相關(guān)性,提供了實驗依據(jù)。
　　 (2)運用透射電鏡,觀

6、察了這些金屬離子對R3多肽的自聚集產(chǎn)物形貌的影響。結(jié)果表明:R3多肽自聚集產(chǎn)生的纖維細(xì)絲帶有不太明顯的螺旋形狀,這種螺旋細(xì)絲的外貌,正是阿爾茨海默病的纖維纏結(jié)結(jié)構(gòu)中的特征形態(tài)。所有金屬離子的加入,都沒有改變這種螺旋細(xì)絲的外貌。但金屬離子,如:Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)的加入,對纖維細(xì)絲的大小產(chǎn)生影響:在沒有金屬離子存在的條件下,R3多肽白聚集形成的纖維細(xì)絲較粗,大小約44 nm。金屬離子的存在,使R3自聚集產(chǎn)生的纖維細(xì)絲變小,大

7、小約11 nm。另外一些金屬離子,如Hg(Ⅱ)等,則對纖維細(xì)絲大小幾乎沒有影響。
　　 (3)綜合熒光動力學(xué)和電鏡的數(shù)據(jù),對金屬離子促進(jìn)R3自聚集的機(jī)理進(jìn)行了探討。金屬離子Cd(Ⅱ)從起始階段(前7分鐘)明顯加快由肝素所引發(fā)的R3自聚集的,且從電鏡的圖像看所形成的纖維細(xì)絲大小明顯變小,這說明Cd(Ⅱ)等主要是從成核步驟來促進(jìn)Tau蛋白R3自聚集的。另一方面,金屬離子Hg(Ⅱ)在起始階段(前7分鐘)對由肝素所引發(fā)的R3自聚集加快不

8、明顯,且電鏡圖像顯示纖維細(xì)絲大小沒有明顯改變,說明Hg(Ⅱ)等金屬離子主要是通過生長步驟來促進(jìn)R3多肽的自聚集的。而對Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)等離子而言,情況較為復(fù)雜。
　　 (4)運用CD和拉曼光譜,研究了金屬離子與R3作用后,由金屬離子所誘導(dǎo)的R3多肽構(gòu)象的改變。CD數(shù)據(jù)表明:一般條件下,R3肽鏈呈現(xiàn)松散的隨機(jī)盤繞結(jié)構(gòu),以隨機(jī)盤繞構(gòu)象為主(約57％):從CD和拉曼光譜均可看出:Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)或Zn(Ⅱ)離子與R3多肽結(jié)

9、合后,金屬離子將誘導(dǎo)R3肽鏈構(gòu)象發(fā)生明顯改變,R3的隨機(jī)盤繞結(jié)構(gòu)含量減少。對于Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)的作用而言,R3減少的隨機(jī)盤繞轉(zhuǎn)變成了α-螺旋；而對于Cu(Ⅱ),則轉(zhuǎn)變成了β-折疊。這說明:Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)離子促進(jìn)R3多肽自聚集,其過程中形成的α-螺旋結(jié)構(gòu)起著決定作用；而對于Cu(Ⅱ),β-折疊結(jié)構(gòu)起著決定作用。對Hg(Ⅱ)促進(jìn)的R3自聚集過程,情況則較為復(fù)雜:若以CD模擬計算結(jié)果,R3減少的隨機(jī)盤繞轉(zhuǎn)變成了α-螺旋；但從拉曼

10、光譜估算結(jié)果來看,則在R3多肽的自聚集過程中,隨機(jī)盤繞結(jié)構(gòu)含量沒變,而是伴隨著α-螺旋轉(zhuǎn)變成β-折疊結(jié)構(gòu)。
　　 (5)根據(jù)CD和拉曼光譜的結(jié)果,推測出金屬離子與R3多肽作用的分子模型。拉曼光譜數(shù)據(jù)表明:R3多肽在溶液中的最穩(wěn)定狀態(tài),可能是由分子間二硫鍵連接形成的二聚體(R3-R3)；Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)離子與R3作用時,金屬離子首先是與R3肽鏈中的組氨酸結(jié)合,組氨酸殘基中的咪唑環(huán),提供Nτ原子與金屬配位。CD光譜

11、數(shù)據(jù)還表明,一個Cd(Ⅱ)或Cu(Ⅱ)離子可以與四個R3多肽分子結(jié)合、一個Zn(Ⅱ)離子可以與兩個R3多肽分子結(jié)合。據(jù)此,我們推出了Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和.Zn(Ⅱ)離子與 R3多肽的配位中間體可能分別是[(R3-R3)Cd(R3-R3)]、[(R3-R3)Cu(R3-R3)]以及[(R3-R3)Zn(R3-R3)Zn]。而Hg(Ⅱ)離子則與R3多肽沒有發(fā)生結(jié)合作用。
　　 本論文研究的目標(biāo)與意義,在于闡明金屬離子在溶解性Ta