TMEM106B淀粉样细丝的年龄依赖性形成人类大脑

　　TMEM106B是274种残基的II型跨膜蛋白，该残基定位于晚期内体和溶酶体3,4。它是普遍表达的，在大脑，心脏，甲状腺，肾上腺和testis5（https://www.proteinatlas.org）中的水平最高。TMEM106B让人联想到淀粉样蛋白前体蛋白APP，通过胞外域脱落，然后进行膜内蛋白水解，在膜内裂解位点可能变化。溶酶体蛋白酶与C末端腔内域中TMEM106B的切割有关，但尚未鉴定出特定的酶。尽管裂解位点尚不清楚，但已间接显示其位置接近G127。所得的C末端片段包含N145，N151，N164，N183和N256的五个糖基化位点。脱落外域域后，通过信号肽肽酶样2a（SPPL2A）裂解N末端片段，可能在残基106周围的两个不同位点（参考文献6）。 　　TMEM106B基因座处的遗传变异已被确定为使用TDP-43夹杂物（FTLD-TDP）的额颞Lobar变性的危险因素，尤其是对于颗粒蛋白（GRN）基因突变的个体7。有人建议将T185对丝氨酸的变化（由RS3173615编码）预防FTLD-TDP（参考文献8），这可能是因为带有丝氨酸的蛋白质更快地降解了9。另外，非编码变体RS​​1990622的保护作用归因于TMEM106B的表达降低（参考文献3,8）。FTLD-TDP中TMEM106B的水平升高（参考文献10）。据报道，TMEM106B参与其他疾病3,4。全基因组关联研究也暗示了TMEM106B在脑皮质中与年龄相关的表型中的表型。此外，据报道，变异rs1990622与衰老过程中的神经元变性降低相关，与疾病无关。11,12。 　　以前，低温电子显微镜（冷冻EM）允许蛋白质Tau13,14,15,16,17，α-突触核蛋白118，淀粉样蛋白-β（Aβ）19,20和TDP-43（Ref。21）的原子结构测定，这些核酸β（Aβ）19,20和TDP-43（Ref。21）是从不同Neusers neurere neurere neurere neurere neuser neurere neurere distement neurere distectigner neurere denter的。冷冻EM结构表明，不同的褶皱表征了不同的疾病。对于扭曲病，这使得进一步对已知疾病进行分类并确定新疾病实体是可能的17。 　　冷冻EM结构的确定也可用于识别先前未知的丝。在这里，我们使用冷冻EM来表明来自TMEM106B的腔内域的残基120-254在人的大脑中形成淀粉样细丝。我们最初观察到具有家族性和零星陶器病，Aβ淀粉样蛋白，突触核苷和TDP-43蛋白质病的人的大脑中的TMEM106B细丝。但是，TMEM106B细丝在疾病中的作用尚不清楚。在年轻人的大脑中没有观察到它们，而是他们在具有正常神经病学（对照组）的老年人的大脑中的存在表明TMEM106B丝可能以年龄依赖性的方式形成。这些发现与遗传关联研究中的发现有待确定。 　　使用最初针对α-突触核蛋白18,22开发的Sarkosyl提取方案，我们观察到了一种常见的细丝，在不同条件的情况下，这种丝状丝在冷冻EM显微照片中似乎缺乏模糊的涂层，这些丝质具有丰富的丝状淀粉样蛋白沉积物。对从头原子建模足以分辨率的结构确定表明，这些细丝的有序核由TMEM106B的羧基末端，腔内域的残基组成120-254，而细丝是多态性的（图1）。我们从22个具有丰富淀粉样蛋白沉积物的个体的大脑区域以及3个具有正常神经病学的个体的额叶皮质和少数淀粉样蛋白沉积物的额叶皮质（病例1-25;方法，表1，表1和扩展数据表1）中求解了TMEM106B细丝的结构。The neurodegenerative conditions for which we solved structures of associated TMEM106B filaments included sporadic and inherited Alzheimer’s disease, pathological ageing, corticobasal degeneration, sporadic and inherited FTLD (FTLD-TDP types A and C, and familial frontotemporal dementia and parkinsonism linked to chromosome 17 caused by MAPT mutations), argyrophilic谷物疾病，边缘性促成神经元纳入体四重毒，与老年相关的tau星形胶质细胞病，零星和遗传性帕金森氏病，有Lewy身体的痴呆症，多种系统萎缩（MSA）和疗法的后期sclerisosis。我们观察到三个不同的TMEM106B原丝褶皱（I – III；图1和扩展数据图1-4）。折叠I的细丝比折叠II或III的细丝更常见。对于所有三倍，我们确定了由单个原丝制成的细丝的结构。我们还确定了包含两个折叠i的原丝I的细丝结构，与C2对称性有关。在每个人中，我们仅观察到单一折叠的细丝，而褶皱和疾病之间没有明确的关系。 　　TMEM106B折叠具有类似的五层有序核心，其中包含残基S120 – G254，并包含17个β链，每个链链在3至15个残基之间。我们对折叠I，II和III的细丝的最佳地图的分辨率为2.6、3.4和2.8Å，并且来自病例1（零星阿尔茨海默氏病），病例19（MSA）和案例17（MSA）（MSA）（图1）。TMEM106B在所有褶皱中保持完全糖基化，这反映出与N145，N151，N164和N183侧链的聚糖链相对应的大额外密度反映。N256的第五个糖基化位点在有序的核心之外，C末端20个残基可能是无序的。我们根据其结构保护程度将形成褶皱有序的岩心的序列分为三个区域：氨基末端区域（S120-T166）在所有三个折叠中都保守；C末端区域（Y211 – G254）仅在折叠I和II中保守；中间区域（A167-M210）在褶皱之间变化。 　　N末端区域S120 – T166构成了五层有序核的前两层。它包括一个长和五个短β链，构成一个紧密堆积的核心，一侧有疏水和中性极性残基，另一侧填充溶剂的大极腔。该区域的三个糖基化位点位于外层，采用了扩展的构象。内层中的N末端残基S120被埋在有序的核心内，在该核心内，它与N末端区域的E161紧密包装，而H239和E241来自C末端区域（扩展数据图4）。 　　C末端区域Y211 – G254形成了有序核的两个中央层。它采用了紧凑的发夹状结构，其末端通过C214和C253之间的二硫键将其固定在一起。在所有三个折叠中包装的片段F237 – E246都具有相同的构象，而在其余的发夹状结构中，与折叠I和II相比，折叠III中的15个残基在折叠III中的“内/外向”方向相反。此外，尽管在所有三个折叠中N-和C末端部件之间的界面相似，但沿折叠III中的这些区域沿灯丝轴分离了一个比折叠i和ii中的rung（扩展数据图3E）。 　　中间区域A167-M210构成了有序核的第五层，并包含N183处的第四个糖基化位点。在折叠I中，该区域与C末端发夹样区域的另一侧松散地包装，形成了三个大型两亲性腔。在Fold II中，这些内部空腔比折叠I小。我们观察到了两个倍数II（IIA和IIB）的亚型，这些亚型主要是由于节段A167 – I187的构象而不同。折叠III中中部区域对C末端区域的堆积最紧，只剩下一个相当大的腔，在E206和K220之间有一个盐桥。只有折叠III显示p189的顺式异构化。在IIB和III的褶皱中，在K178的侧链末端有一个较大的额外密度，这表明该残基可能是经过翻译后修改的。同样，折叠i的Y209侧链的前面也有一个额外的密度，但在其他折叠中没有（扩展数据图1）。这些残基可能决定了不同折叠的形成。所有个体的基因分型（表1）表明，编码T185或S185的等位基因均同样表示。具有折叠I的个体对于T185或S185或杂合子是纯合的，这表明我可以在185的位置容纳苏氨酸或丝氨酸。由于两个残基与N183处的糖基化基序的兼容性，因此在N183处没有差异，因此没有观察到相关的聚糖密度差异。仅在T185纯合的情况下发现折叠II。S185的八分之一的人中有七分之一是纯合的，其余的个体是杂合的。在褶皱III的内部残留185的侧链的填充物可能会容纳苏氨酸的空间不足。 　　在所有三个折叠中，残基G177 – N183采用保守的构象，带正电荷的残基K178和R180向外指向。在由两个具有折叠I的原丝制成的细丝中，这两对残基在沿着螺旋对称轴的连续额外密度的相对侧面。由于负责此密度的辅助因子可能不遵守施加的螺旋对称性，因此该区域的地图质量不足以识别其识别。尽管我们没有解决包括折叠II或III的两个原纤维纤维的结构，但案例19的显微照片是我们观察到具有折叠IIA/B的细丝的唯一个体，而case 21的微量表则具有折叠III的显微照片，折叠III的显微照片也包含了两个TMEM106B原子量的较宽细丝，可能包含两个tmem106b原始数据。 　　在没有实验确定的天然结构的情况下，我们检查了TMEM106B的结构，如Alphafold23所预测（扩展数据图6）。淀粉样丝的形成通常与本质上展开的蛋白质或低复合蛋白结构域有关，但序列S120 – G254跨越了TMEM106B细丝的有序核心，被自然地预测为ImmunogoBlobulobullobulin-like-like-like-likeβ-SandandWich-SandandWiCh-sandandWiCh-sandWich fold。N145，N151，N164和N183处的糖基化位点位于折叠的外部，并且预计C214和C253之间的二硫键也被预测在天然结构中形成。β-sandwich结构域连接到没有柔性接头序列的单个跨膜螺旋。此外，在域的这一末端有一个疏水表面贴片，表明它位于膜附近。因此，溶酶体蛋白酶可以访问S120的裂解位点S120的裂解位点，即所有TMEM106B丝中埋入的N末端残基。腔域的脱落可能以非规范的方式发生。 　　我们先前表明，tau，α-突触核蛋白，Aβ和TDP-43的明显淀粉样蛋白褶皱表征了不同的神经退行性疾病13,14,15,16,17,18,20,21。现在，我们描述了许多此类疾病中TMEM106B细丝的存在，而褶皱和疾病之间没有相关性。因此，我们还检查了来自正常神经病学患者的16个大脑，这些大脑在20至101岁之间的年龄差异。By immunoblotting with an antibody raised to a peptide corresponding to residues 239–250 of human TMEM106B (antibody TMEM239), the sarkosyl-insoluble fractions from disease cases showed a band of 29 kDa, which probably corresponded to the 17-kDa C-terminal fragment plus 12 kDa of glycosylation and other modifications (Fig. 2 and Extended Data图7）。该条带不存在于年龄不到46岁的正常神经病学的个体中，不包括TMEM106B组装是由组织提取引起的人工制作的可能性。但是，我们始终观察到69岁以上对照个体的大脑中的29 kDa频段。有趣的是，从15岁的患有Lewy Bodies的15岁患者的额叶皮层中不存在29 kDa频段24（图2B）。与这些观察结果一致，用抗体TMEM239的脑切片的免疫组织化学显示了疾病病例和老年对照个体的夹杂物的染色，但在较年轻的对照中没有染色（图3和扩展数据图8）。尚不清楚这些夹杂物与溶酶体有何关系。冷冻EM结构测定显示TMEM106B细丝的存在，在额叶皮层中具有一个或两个折叠I的折叠I，来自三个对照，年龄在75、84和101年中。 　　我们的结果表明，溶酶体蛋白TMEM106B的淀粉样细丝以年龄依赖性的人类大脑形式，而没有与疾病的明确机械联系。到目前为止，人体组织中大量的神经内淀粉样蛋白丝存在一直与疾病有关。编码TAU，α-突触核蛋白和TDP-43的基因中的主要遗传突变引起神经退行性疾病。此外，由这些蛋白质制成的淀粉样细丝的冷冻EM结构表现出不同的褶皱，其特征是不同疾病的特征13,14,15,16,17,18,21。尽管TMEM106B与额颞痴呆症和其他疾病有关，但TMEM106B聚集和疾病之间因果关系的证据尚不清楚，并且不同的TMEM106B折叠并未表征不同的疾病。取而代之的是，我们的观察结果表明TMEM106B细丝以年龄的依赖方式形成。像脂肪霉素一样，氧化蛋白和脂质的溶酶体复合物在许多组织中以年龄的依赖性方式发展，TMEM106B丝也可能形成溶酶体，即使TMEM106B夹杂物的染色并不总是与脂肪素自动脂肪荧光的存在有关。溶酶体功能障碍与神经退行性疾病的发病机理有关26。需要进一步的研究来确定是否可以在中枢神经系统以外的其他组织中找到TMEM106B细丝，并评估丝形成在与人衰老和病理学方面的作用。