Модель дает представление о том, как тау стабилизирует микротрубочки и что заставляет его диссоциировать с образованием агрегатов тау или «клубков» при некоторых неврологических заболеваниях, включая болезнь Альцгеймера, обычно называемых таупатиями.Микротрубочки играют важную роль в поддержании формы клеток, обеспечивая некоторые формы передвижения, облегчая внутриклеточный транспорт и сегрегацию хромосом во время митоза.
Каждая микротрубочка представляет собой полый цилиндр, состоящий из тринадцати параллельных протофиламентов белка тубулина.Тау помогает поддерживать стабильность микротрубочек и объединяет их в пучки. Считается, что мутации или посттрансляционные модификации, такие как гиперфосфорилирование, которые снижают сродство тау к микротрубочкам, вносят вклад в образование клубков тау.Команда, возглавляемая Евой Ногалес, старшим научным сотрудником отдела молекулярной биофизики и интегрированного биоимиджинга (MBIB) в лаборатории Беркли, и исследователем Медицинского института Говарда Хьюза и профессором Калифорнийского университета в Беркли, использовала крио-ЭМ для изображения взрослого человека в полный рост. тау, связанный с микротрубочками с общим разрешением 4,1 А ?. Они показали, что тау прикрепляется продольно вдоль гребня нитей тубулина, что согласуется с предыдущим крио-ЭМ исследованием с низким разрешением.
Тау — это внутренне неупорядоченный белок, который включает в себя проекционный домен, область связывания микротрубочек с четырьмя несовершенными повторами последовательности и С-концевой домен. Тубулин представляет собой димер, что означает соединенную пару близкородственных полипептидов, в данном случае α-тубулин и β-тубулин. Димеры тубулина соединяются (или полимеризуются) голова к хвосту, образуя протофиламенты, из которых состоят микротрубочки.«Учитывая обширную литературу об отсутствии регулярной структуры, мы не были уверены, что тау действительно будет формировать упорядоченные взаимодействия с тубулином», — сказала Элизабет Келлог, научный сотрудник лаборатории Ногалеса и соавтор статьи, представляющей работу. опубликовано 10 мая в журнале Science.
Чтобы проверить гипотезы о том, какие остатки тау участвуют в связывании с тубулином, они затем создали синтетические конструкции тау с областями связывания микротрубочек, состоящими из четырех идентичных повторов, и также визуализировали те, которые прикреплены к микротрубочкам (общее разрешение 3,2 — 3,9 A). Саймон Пёпсель, научный сотрудник лаборатории Ногалеса, работал с амилоидной формой тау в качестве аспиранта и сыграл важную роль в очистке и подготовке образцов для крио-ЭМ.
«Когда мы наконец смогли увидеть длину тау-повтора и увидеть, что он имеет определенную структуру и сайт связывания, мы поняли, что тау на самом деле формирует специфические взаимодействия с поверхностью тубулина», — сказал Келлог. «Когда мы смогли согласовать это с длиной повтора и имеющейся у нас информацией о последовательности, это стало ключом, который нам нужно было выяснить, как улучшить реконструкции в достаточной степени, чтобы сделать возможным атомное моделирование».Затем команда обратилась к Rosetta, всеобъемлющему набору инструментов компьютерного моделирования для прогнозирования трехмерных атомных структур макромолекул на основе информации об аминокислотных последовательностях на основе конформации с самым низким энергетическим состоянием. По словам Ногалеса, крио-ЭМ-карты с высоким разрешением позволили команде наложить ограничения на общую форму молекулярного комплекса, повысив точность модели.
Фрэнк ДиМайо, доцент кафедры биохимии и Института дизайна белков Вашингтонского университета, поделился своим опытом работы с платформой Rosetta, в частности с функцией "соответствия плотности" с использованием крио-ЭМ данных.Предсказания структуры Rosetta для двух различных синтетических конструкций тау-белка сходятся в одном решении: участок основной цепи из 27 остатков, охватывающий три мономера тубулина. «Идентичный регистр последовательностей и детали атомов из двух независимых карт подчеркивают надежность нашего решения и обеспечивают высокую уверенность в точности наших атомных моделей», — сказал Ногалес.
«Наша структура показывает, как основной контакт тау-белка с поверхностью микротрубочек находится на границе раздела между субъединицами тубулина, служа« сшивателем »для содействия ассоциации между субъединицами тубулина и объясняя, как тау-белок способствует стабильности микротрубочек», — сказал Келлог. «Структура также объясняет, как фосфорилирование тау приводит к его диссоциации от микротрубочек».Было обнаружено, что фосфорилирование серина в положении 262 (универсально консервативное среди тау-повторов) ослабляет связывание микротрубочек и является маркером болезни Альцгеймера. Модель показывает, что фосфорилирование в этой критической якорной точке нарушит взаимодействие между тау-белком и микротрубочкой и, таким образом, вызовет «отпадание скоб».
Также были идентифицированы дополнительные остатки, которые имеют решающее значение для связывания тау-микротрубочек.