Innovative Mikroskopie enthüllt Amyloid-Architektur und könnte Einblicke in neurodegenerative Erkrankungen geben

Amyloid-beta (A-beta)-Aggregate sind Proteinknäuel, die vor allem mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer in Verbindung gebracht werden. Obwohl sie ständig im Rampenlicht stehen, ist es Forschern bisher nicht gelungen, ein gutes Verständnis davon zu entwickeln, wie sich A-beta zusammensetzt und auflöst.

„Die Art und Weise, wie sich A-Beta in verschiedenen Umgebungen verhält, darunter auch im menschlichen Gehirn, ist schwer zu fassen“, sagte Brian Sun, ein Absolvent der Washington University in St. Louis, der Elektrotechnik und Ingenieurwissenschaften studiert und jetzt an der School of Medicine promoviert. „Es gibt ein Verständnis von Wachstum und Verfall, das noch nicht vollständig ausgereift ist.“

Das wird sich ändern, dank der jüngsten Forschung veröffentlicht In Nano-Buchstaben von Sun mit Kollegen im Labor von Matthew Lew in der Abteilung für Elektro- und Systemtechnik von Preston M. Green an der McKelvey School of Engineering der WashU.

In einer Arbeit, die bisher einzigartig war, konnten Sun und seine Kollegen die Beta-Faltblatt-Ansammlungen der Amyloidfibrillen, die Grundstrukturen des Proteinkonglomerats, während ihrer Veränderung messen. Frühere hochauflösende Mikroskopstudien lieferten lediglich statische Aufnahmen.

„Wir wollten speziell die Dynamik der zugrundeliegenden Struktur von A-Beta untersuchen, die für die Veränderungen verantwortlich sein könnte, die wir sehen, und nicht nur Veränderungen in der Gesamtform“, sagte Sun, der Erstautor der Studie.

Lew verwendete in einer Analogie Legosteine ​​und wies darauf hin, dass die aktuelle Bildgebungstechnologie zwar das gesamte Lego-Gebäude zeigt, jedoch keinen Einblick in die Anordnung der einzelnen Steine ​​gewährt.

„Die einzelnen Proteine ​​verändern sich ständig als Reaktion auf ihre Umgebung“, sagte Associate Professor Lew. „Es ist, als ob bestimmte Legosteine ​​dazu führen, dass andere Steine ​​ihre Form verändern. Die sich verändernde Architektur der Proteine ​​und der zusammengesetzten Aggregate führt gemeinsam zur Komplexität neurodegenerativer Erkrankungen.“

Das Lew-Labor hat eine neue Art von Bildgebungstechnologie entwickelt, mit der Forscher die Ausrichtung und andere winzige Details in Nanostrukturen biologischer Systeme erkennen können, die zuvor unsichtbar waren. Ihre Technik – Einzelmolekül-Orientierungs-Lokalisierungsmikroskopie (SMOLM) – verwendet Lichtblitze von chemischen Sonden, um die Peptidschichten zu visualisieren, die Aβ42, einer Art A-Beta-Peptid, zugrunde liegen.

Mithilfe von SMOLM können sie die individuelle Ausrichtung der zugrunde liegenden Beta-Faltblätter untersuchen, um die Beziehung zwischen ihrer Organisation und deren Zusammenhang mit der Gesamtstruktur des Amyloid-Proteins zu erkennen.

Viele Möglichkeiten zur Umgestaltung

Aβ42 verändert sich ständig und der erste Schritt besteht darin, eine Methode für diesen Wahnsinn zu finden, ein Modell oder Aktionsmuster, um das Verhalten des Proteins vorherzusagen.

Da das Lew-Labor diese Messungen nun durchführen kann, machten sie einige intuitive Beobachtungen und entdeckten einige Überraschungen in der Amyloid-Beta-Architektur.

Wie erwartet neigen stabile Aβ42-Strukturen dazu, stabile zugrundeliegende Beta-Faltblätter beizubehalten; wachsende Strukturen haben zugrundeliegende Beta-Faltblätter, die im Verlauf des Wachstums definierter und starrer werden. Zerfallende Strukturen weisen zunehmend ungeordnete und weniger starre Beta-Faltblätter auf. Sie fanden aber auch mehr als einen Weg, wie sich Aβ42 erneuern kann.

„Es gibt mehrere verschiedene Möglichkeiten für Aβ42-Strukturen, stabil zu bleiben oder zu wachsen und zu zerfallen“, sagte Sun.

Die Forscher entdeckten auch, dass Aβ42 auf unerwartete Weise wachsen und zerfallen kann. Beispielsweise kann Aβ42 auf eine Weise wachsen und zerfallen, bei der die zugrunde liegende Struktur erhalten bleibt; manchmal gibt es Wachstum, bei dem sich die Peptide einfach anhäufen, die zugrunde liegende Beta-Faltblatt-Orientierung sich jedoch nicht ändert. In anderen Fällen erfährt Aβ42 einen „stabilen Zerfall“, bei dem das Gegenteil passiert, d. h. Peptide verschwinden, aber die Beta-Faltblatt-Struktur bleibt erhalten.

Schließlich kommt es manchmal vor, dass sich die Beta-Faltblätter von Aβ42 neu organisieren und ihre Orientierung ändern, ohne dass sich damit unmittelbar die Gesamtform ändert. Diese nanostrukturellen Umorganisationen können zukünftige großflächige Umgestaltungen begünstigen.

„Da SMOLM die zugrunde liegende Organisation von Aβ42 und nicht nur seine Form verfolgen kann, können wir verschiedene Arten von Untertypen der Umgestaltung sehen, die für beugungsbegrenzte, nicht-orientierende Bildgebungsverfahren nicht sichtbar sind“, sagte Sun.

Wenn das alles ein bisschen vage klingt, denken Sie daran, dass dies der erste Versuch ist, sich diese sich ständig verändernden Nanostrukturen überhaupt anzusehen. Umso bemerkenswerter ist es, dass Sun diese Arbeit verfasste, während er die COVID-19-Lockdown-Beschränkungen und sein Bachelor-Studium an der WashU unter einen Hut bringen musste, das er in drei Jahren abschloss. Es ebnet ihm und anderen den Weg, die Amyloid-Architektur wirklich in den Griff zu bekommen.

Während der Graduiertenphase seiner MD/Ph.D.-Ausbildung plant Sun, Bildgebungssysteme und Sensoren im Nanomaßstab zu entwickeln, die die verborgenen Mechanismen schwer behandelbarer Krankheiten aufdecken könnten.

Sun dankt McKelvey Engineering und dem Lew-Labor für die strenge Ausbildung, die dieses Studium und seinen akademischen Werdegang ermöglicht hat, sowie dem MSTP für die Unterstützung seiner weiteren Forschung nach dem Abschluss. „Ich bin wirklich froh, dass ich diesen Weg gegangen bin“, sagte er.