“Tau蛋白是一种微管相关蛋白，可促进神经元微管的组装和稳定性。tau蛋白积聚为不溶性聚集物，称为神经纤维缠结(NFTs)，由于tau蛋白聚集而造成的几种神经退行性疾病统称为tauopathies。

 

科学家普遍认为在非功能性蛋白形成之前，小的可溶性tau蛋白寡聚物会引起毒性。然而到目前为止，现有的技术还不能在生理或病理条件下对tau蛋白单体和其寡聚物在细胞内的空间分布做到可视化。在这里，我们使用新一代超分辨显微镜，发现了tau蛋白在微管上形成低聚复合物，这些低聚复合物不同于那些在显示tau蛋白聚集的细胞中发现的蛋白寡聚物，这可能是病理中聚集tau蛋白的前体。”

 

作者在本文中构建了多种不同的细胞模型，并对微管上的tau蛋白低聚复合物在纳米尺度上进行了详细、定量的表征，为研究tau蛋白在体内聚集的机制以及筛选出可能的作用靶点和开发破坏这些病理性寡聚物的药物打开了大门。 

 

《Tau forms oligomeric complexes on microtubules that are distinct from tau aggregates》

 

01
研究结果

 

1. 在非聚集条件下微管相关的tau蛋白是部分低聚复合物

 

为了确定非聚集条件下与微管相关的tau蛋白如何分布，作者在各种工程细胞模型中进行了单分子定位显微镜(SMLM)：一个稳定的BSC-1细胞系，融合有绿色荧光蛋白，并组成性地表达野生型(WT) tau蛋白的3R亚型(GFP; BSC-1 3R-WT-GFP tau)；瞬时表达WT- tau 4R亚型，且融合有GFP的BSC-1细胞(BSC-1 4R-WT-GFP tau)；以及在多西环素(Dox)控制下稳定表达FTDP-17突变的GFP标记的QBI-293细胞株(QBI-293 Clone4.0 4R-P301L-GFP tau,以下称Clone 4.0)。

 

正如预期的那样，tau的表达导致了微管密度和微管捆绑的增加，这与已知的tau蛋白促进微管聚合和捆绑的功能一致。作者的分析表明，观察到的tau纳米团簇包含有与微管相关的tau低聚分子，在神经元生理条件和工程细胞系非聚集条件下，tau蛋白主要与微管相关，与微管相关的部分tau蛋白形成二聚体和三聚体复合物。

 

图1. 在非聚集条件下微管相关的tau蛋白是部分低聚复合物
 

A．在表达4RP301L- GFP tau的Clone 4.0细胞（QBI-293 Clone 4.0 4R-P301L-GFP tau）中，经过Dox诱导tau蛋白表达后，用Alexa Fluor 647偶联的GFP纳米抗体染色得到tau蛋白的超分辨率图像；B. 稳定表达3R-WT-GFP tau蛋白的BSC-1细胞中，用Alexa Fluor 647偶联的GFP纳米抗体染色后得到的tau蛋白的超分辨率图像；C. 利用tau低聚物特异性T22抗体在表达4R-P301L-GFP tau的克隆4.0细胞中检测tau寡聚物的超分辨率图像；D. 在不同细胞系中的tau蛋白纳米团簇；E. 经过Dox诱导tau蛋白表达后，表达4R-P301L-GFP tau蛋白的Clone 4.0细胞中α-tubulin(洋红色)、总tau蛋白(青色)的双色超分辨率共定位图像；F. 经过Dox诱导tau蛋白表达后，在表达4R-P301L-GFP tau的Clone 4.0细胞中tau低聚物特异性T22抗体(洋红色)、总tau蛋白(青色)的双色超分辨率共定位图像；G. tau纳米团簇与α-tubulin、T22、Thr231和AT8抗体共定位的百分比；H.用能够检测所有tau蛋白亚型的tau-5抗体染色后得到的大鼠海马神经元中tau蛋白的超分辨图像；I.用tau低聚物特异性T22抗体检测大鼠海马神经元中tau低聚物的超分辨图像。

 

2.  细胞中展示出Tau聚集特性的Tau低聚物与非聚集Tau细胞模型中的Tau低聚物不同  

 

为了确定tau蛋白聚集物的纳米尺度上的分布和组成，作者使用了一个工程细胞系来模拟tau蛋白聚集：在Dox诱导下表达4R-P301L-GFP tau蛋白的QBI-293 Clone4.1细胞，将其称为Clone 4.1，它是Clone 4.0的一个亚克隆，通过体外重组tau纤维外源性转导亲本克隆(Clone 4.0)诱导tau聚集而获得，在Dox存在时，它能稳定地维持tau聚集。为了再次确定这些聚集的tau细胞中的低聚tau蛋白的百分比以及胞质和微管相关tau蛋白的数量，我们对tau与α-tubulin/ T22分别进行了双色超分辨成像。结果表明，在含有tau聚集物的细胞中存在有大于3个tau蛋白组成的寡聚体，这些聚集物在非聚集条件下不存在，并且部分与微管相关。此外，在FTDP-17细胞模型中，不同范围的较大tau聚集物一起破坏了微管网络的完整性。  

 

图2. 含有Tau聚集体的细胞中的Tau寡聚体与非聚集Tau细胞模型中的Tau寡聚体不同
 

A. 在经过DOX诱导tau蛋白表达后，稳定表达4R-P301L-GFP的Clone 4.1细胞中，tau蛋白低聚物复合体的超分辨图像；B. Clone 4.0与Clone 4.1细胞系中tau蛋白纳米团簇分布对比；C. 在经过DOX诱导tau蛋白表达后，稳定表达4R-P301L-GFP的Clone 4.1细胞中，α-tubulin(洋红色)、总tau蛋白(青色)的双色超分辨率共定位图像；D. 在经过DOX诱导tau蛋白表达后，稳定表达4R-P301L-GFP的Clone 4.1细胞中, 通过tau寡聚物特异性T22抗体(洋红色)、总tau(青色)，检测到的tau蛋白低聚物复合体；E. Clone 4.0与Clone 4.1细胞系中tau蛋白纳米团簇与微管蛋白共定位分布对比。

 

02
研究总结

 

本项研究于2021年5月发表在PNAS杂志上，研究者主要借助STORM技术来破译tau蛋白聚集的奥秘。文中用到的新一代超分辨荧光显微镜系统Nanoimager，集成了3D随机光学重构技术（3dSTORM）、双通道同时成像技术等，以纳米级观测精度、高稳定性、广泛环境适用、快速成像、简易操作等优异特性，获得了超过50家科研小组和100多位科研人员的高度认可。

 

03
参考文献

 

1. Gyparaki, M. T., et al. (2021). "Tau forms oligomeric complexes on microtubules that are distinct from tau aggregates." Proceedings of the National Academy of Sciences 118(19): e2021461118.

 

 

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