Ett team av forskare från Tyskland och Nederländerna har bestämt strukturen hos en amyloidfibrill med tidigare ouppnådd upplösning. Fibrillerna i kroppens eget amyloid beta (Aβ) protein är huvudbeståndsdelen i hjärnproteinavlagringar associerade med Alzheimers. Den tredimensionella strukturen på atomnivå som belysts av forskarna avslöjar tidigare okända aspekter av tillväxten av skadliga avlagringar och effekten av genetiska riskfaktorer. Resultaten har publicerats i den välrenommerade tidskriften Vetenskap .

Strukturen avslöjar hur de många enskilda Aβ-proteinmolekylerna är förskjutna i lager ovanpå varandra och ordnas i så kallade protofilament. Två av dessa protofilament är tvinnade runt varandra för att bilda en fibril. Om flera av dessa fibriller trasslar ihop sig, de ger upphov till de karakteristiska avlagringar eller plack som upptäcks i hjärnvävnaden hos Alzheimerspatienter.

"Detta är en milstolpe på vägen till en grundläggande förståelse för amyloidstrukturer och relaterade sjukdomar, " säger prof. Dieter Willbold. "Fibrillstrukturen svarar på många frågor om mekanismen för fibrilltillväxt och identifierar den roll som en hel rad familjemutationer spelar som leder till tidig debut av Alzheimers sjukdom."

Upplösningen på 4 ångström, motsvarande 0,4 nanometer, är inom den typiska storleken för atomradier och atombindningslängder. I motsats till tidigare arbete, modellen visar för första gången proteinernas exakta position och interaktioner. Aβ-molekylerna i de intrasslade protofilamenten är alltså inte på samma nivå, men som en dragkedja, de är förskjutna med ett halvt intervall. Vidare, strukturen belyser platsen och konformationen av alla 42 aminosyrarester av de många individuella Aβ-proteinmolekylerna för första gången.

Denna detaljerade struktur ger en ny grund för att förstå den strukturella effekten av ett antal genetiska modifieringar som ökar risken att utveckla sjukdomen. De stabiliserar fibrillerna genom att ändra ritningen av proteinet på definierade platser. Detta förklarar också varför möss i naturen inte utvecklar Alzheimers, och varför en liten del av den isländska befolkningen verkar vara mer eller mindre resistent mot sjukdomen. Deras varianter av Aβ skiljer sig åt med tre eller en aminosyrarester, respektive, som tydligen är viktiga för fibrillernas stabilitet.

Metodisk mångfald på högsta tekniska nivå

I motsats till de plack som är typiska för sjukdomen som upptäcktes av Alois Alzheimer för mer än 100 år sedan, den fibrillstruktur som nu avslöjas kan inte direkt observeras under ljusmikroskopet. Det tog mer än ett år att analysera de data som forskarna hade erhållit med hjälp av kryoelektronmikroskopianläggningen vid Maastricht University. Dessutom, mätningar med hjälp av solid-state kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi och röntgendiffraktionsförsök hjälpte till att komplettera och helt stödja bilden av fibrilstrukturen och validera de erhållna data.

"De enskilda bilderna i kryo-elektronmikroskopi är vanligtvis extremt brusiga eftersom proteiner är mycket känsliga för elektronstrålning och bilderna kan bara genereras med mycket låg strålningsintensitet, " förklarar jun.-prof Gunnar Schröder. Med hjälp av en datorstödd procedur, han kombinerade tusentals enskilda bilder och extraherade på så sätt högupplösta strukturella data från dem.

"Detta är ett steg som kan vara mycket komplicerat om provet består av olika bildade fibriller. Tidigare detta var nästan alltid fallet med amyloidfibrillerna och representerade ett av de största hindren för analysen. Dock, vi hade nu ett ganska unikt exemplar med mycket homogena fibriller – 90 procent av dem hade samma form och symmetri, säger Schröder.

Dr Lothar Gremer lyckades framställa fibrilprovet. "Det avgörande steget var att kraftigt bromsa tillväxten av fibrillerna i provet, från några timmar till flera veckor. Vari, de individuella Aβ-molekylerna fick tillräckligt med tid att ordna sig till homogena fibriller på ett mycket enhetligt och högordnat sätt, säger Gremer, som initierade och koordinerade studien.

Undersökningar av fibrillprovet med fast tillstånd av kärnmagnetisk resonansspektroskopi gav ytterligare data för att bygga modellen och hjälpte till att validera strukturen. "NMR gjorde det möjligt för oss att få ytterligare information, till exempel vilka aminosyrarester som bildar saltbryggor, vilket förbättrar fibrillernas stabilitet, " förklarar Prof. Henrike Heise. Röntgendiffraktionsexperiment under ledning av Prof. Jörg Labahn vid Centre for Structural Systems Biology i Hamburg bekräftade dessutom resultaten.

Kryoelektronmikroskopi är en relativt ny forskningsmetod för att bestämma strukturen hos proteinmolekyler. Förr, forskare använde huvudsakligen röntgenkristallografi och kärnmagnetisk resonansspektroskopi. 2015, kryo-elektronmikroskopi valdes som årets forskningsmetod av tidskriften Naturmetoder . Med den sedan länge etablerade metoden för röntgenkristallografi, proteinerna måste först omvandlas till en kristallin form, medan med kryo-elektronmikroskopi och även NMR-spektroskopi, proteinets byggstenar kan undersökas i sitt naturliga tillstånd. När det gäller kryo-elektronmikroskopi, proverna löses först i vatten, sedan blixtfryst, och slutligen undersökt med ett elektronmikroskop. Denna metod har särskilda fördelar när det gäller att undersöka stora strukturer som består av hundratals eller tusentals proteiner.

Inrättandet av en anläggning för högupplöst kryo-elektronmikroskopi kan ge forskare vid Jülich möjlighet att undersöka biologiska molekyler. Förutom grundforskning, Jülichs Institute of Complex Systems (ICS-6) utvecklar också en ny behandlingsstrategi med sin egen läkemedelskandidat.