浅析Tau的折叠结构

浅析Tau的折叠结构

当天然的非折叠的微管相关蛋白 tau 蛋白变得过度磷酸化时，在细胞内会形成错误折叠的不溶性的丝状结构。

而在不同的疾病中，tau错误折叠的丝状结构不尽相同，那接下来我就粗略地给大家讲一下目前已知的主要八种折叠结构。由于其折叠结构过于复杂，我们的侧重点主要在于描述这八种折叠结构的差异。所有来自人类疾病的已知tau折叠都有一个共同的有序核心区，包括R3和R4，以及C端域的10-13个氨基酸。然而，这些折叠在其N端延伸部分有所不同。根据N端延伸部分的差异我们把这八种折叠结构先分为三大类。首先是AD和CTE折叠，结构中包含3R+4R两类tau蛋白，但在核心区中R1和R2部分只包括了C端一个或两个氨基酸。就像图里看到的N端上的一点点蓝紫色，其余均为R3,R4片段。第二类皮克折叠，代表了唯一已知的仅3R tau蛋白的丝状结构，前面朱诗韵同学也说了3Rtau不编码R2片段，所以pid折叠核心区包括超过一半的R1，全部的R3,R4但是没有R2。第三类则是结构中为4R tau蛋白的折叠，其包括R2的全部和R1的一个或两个残基。

那我们就先讲一下第一类里的AD(FBD,FDD,PART)和CTE折叠。AD折叠核心由八个沿着原丝长度延伸的 β-折叠(β1-8)组成，采用 C 形结构。每个C由一个β-螺旋（β螺旋(beta helix)是一种蛋白质的超二级结构，由平行的β折叠构成，形成一种螺旋的形态。β螺旋是一种螺旋状的形态，但与二级结构α螺旋差别较大。β螺旋的结构通过氢键和蛋白质相互作用来维持稳定。有时也结合金属离子。左旋与右旋的β螺旋均已被证明。最简单的β螺旋是由两条β折叠片构成）区域组成，该区域存在三个β-折叠以三角形方式排列，还包括两个具有跨β螺旋结构的区域，该区域①成对的β-折叠彼此反平行。因此，在整个原丝结构中保持了有序、对齐、平行的氢键模式。（反平行p折叠时氢键平行）让我们对比一下CTE折叠，可以发现两者大体的的p折叠相差不大，但是p螺旋区域的构象存在明显差异。CTE折叠β-螺旋区域产生了一个疏水空腔，而AD折叠中不存在这种空腔。从图片可以很明显地看到CTE 折叠中该空腔被额外密度完全占据。那是什么造成了这种构象的不同呢？

在 CTE 折叠中，S356 的侧链指向内，L357 的侧链指向外（而在AD折叠中的方向恰好相反），这使得CTE产生更紧密的转弯并阻止 S356 的磷酸化。此外，这种微小的构象调整收紧了341 SEKL 344在 β4 和 β5 之间形成的转弯，并放松了346 FKDRV 350β5 和 β6 之间形成的转弯。同时在AD折叠中，β-螺旋面向内部的侧链相互紧贴，表现为L344 和 I354的 C α原子之间的距离在阿尔茨海默折叠中为 11.5 埃，而在 CTE 折叠中为 17 埃，所以AD折叠中不存在空腔去容纳额外的质量。

第一类核心区主要为R3,R4片段的折叠就讲完了。然后是第二类PID折叠，也是目前唯一已知的仅由3Rtau蛋白错误折叠形成的结构。该结构包括9条β 链（β1-β9）。其中R1 提供β1 和 β2两条链，R3 和 R4 分别提供β3-β5 和 β6-β8三条链。这些链以类似发夹的方式被包装在一起：β1 对 β8，β2 对 β7，β3 对 β6，β4 对 β5。最后一条 β9 链则是由 R4 之后的九个氨基酸形成。同时β2 和 β3 之间的 270-Pro（脯氨酸）-Gly（甘氨酸）-Gly-Gly-273 基序产生了一个 omega 形转弯，它在局部压缩了蛋白质链，但在两端仍然保持其方向。相比之下，连接 β5 和 β6 的同源 332-Pro-Gly-Gly-Gly-335 基序形成延伸的 β-螺旋构象，补偿这些链的较短长度。而第三个同源 364-Pro-Gly-Gly-Gly-Gly-367 基序则有助于 发生180° 转弯，使得 β9 堆积在 β8 的另一侧。

然后是比较复杂的第三个分类。根据核心区折叠层数，第三类中的五种折叠再一次被划分成了两类。CBD和AGD C端结构域对R2的一部分包装为其折叠结构提供了第四层，因此被划分为一类。那我们先讲一下CBD和AGD折叠。CBD折叠存在I型和II型，I型和II型tau丝包含一个共同的原丝，其核心结构（CBD折叠）均由残基K274-E380组成——即R1的最后一个残基、R2-R4的所有残基和之后的12个氨基酸。1型CBD由单条原丝构成，而II 型细丝由成对相同的 I 型原细丝组成，通过 C2 旋转对称性相关。AGD 折叠同样采用四层有序结构，但其包括三种具有共同原丝核心的细丝结构。AGD 1 型细丝是由单个原丝构成，包括残基 273-387（类型 1），而 AGD 2 型细丝包含两条具有 C2旋转对称性的原丝，其结构包括 残基279-381。由于目前研究还无法解决建立 AGD 3 型细丝的原子建模结构所需的足够分辨率，所以只能够从低分辨率横截面表明 AGD 3型折叠具有两条不对称堆积的原细丝。那么AGD折叠与CBD折叠的区别在哪呢？

AGD折叠的有序核心比CBD折叠长7个氨基酸，因此C端部分与R2产生不同的相互作用。同时与CBD空腔相比，AGD R2和C-末端段之间的空腔更小，净正电荷更少，额外密度更小。

现在我们讲一下最后的三种折叠结构PSP,GGT和GPT。PSP 折叠细丝由单根原丝组成，跨越残基 272-381。在 PSP 折叠中，R2-4 形成一个三层曲折，在每个重复结束时在保守的 PGGG 基序处转向。R3 形成中心层，它在 G323 处弯曲成近直角。沿着这个弯道的外侧，R2 包住整个R3。且该链在 R4 的 PGGG 基序处进行了另一个发夹转弯，C 末端部分形成了一个短的第四层，覆盖了 R2 的末端。

GGT 折叠原丝则跨越残基 272-379。GGT 分为三种类型（GGT-I、GGT-II 和 GGT-III）。对于 GGT-I，我们观察到三种类型的长丝：类型 1 包括具有 GGT 折叠的单个原丝；类型 2 包含两条具有旋转对称性的原丝。类型 3 以不对称的方式包含两条原丝。GGT 折叠包含与 PSP 折叠基本相同的残基，并具有类似的 R2-4 三层排列。同样，链也在 PGGG 基序处转向，但与 PSP折叠结构相比，每个转向具有不同的构象。C 末端结构域指向相反的方向并以发夹状结构紧贴 R4 的末端。GGT 中 R3-R4 界面处的空腔比 PSP 折叠中的大，并且它包含更大的非蛋白质密度。

GPT 折叠存在两种类型的 GPT 细丝：类型 1 只包含单个原丝；类型 2 细丝包含两条原丝，螺杆对称，形成一个大的、充满溶剂的空腔。GPT 折叠同样包含有与 GGT 折叠相同的残基，并具有类似的三层结构。而在 GPT 2 型细丝中，两个对称的原丝间界面类似于 GGT 3 型灯丝的非对称界面。同时GPT R2末端的PGGG转角与GGT不同，反而与PSP的R2末端转角相同。