アミロイドβオリゴマーの構造と毒性の関係を研究するための研究ツールとしての合理的に設計された抗体

Rationally Designed Antibodies as Research Tools to Study the Structure-Toxicity Relationship of Amyloid-β Oligomers.

• Ryan Limbocker
• Benedetta Mannini
• Rodrigo Cataldi
• Shianne Chhangur
• Aidan K Wright
• Ryan P Kreiser
• J Alex Albright
• Sean Chia
• Johnny Habchi
• Pietro Sormanni
• Janet R Kumita
• Francesco S Ruggeri
• Christopher M Dobson
• Fabrizio Chiti
• Francesco A Aprile
• Michele Vendruscolo

抄録

アルツハイマー病はアミロイドβペプチド(Aβ)の凝集と関連しており、その結果、脳組織内にアミロイドプラークが沈着します。Aβ凝集体が神経機能障害を誘発するメカニズムの最近の研究では、このタンパク質断片のAβオリゴマーの重要性が強調されている。しかし、これらのオリゴマーは一過性で不均一な性質を持っているため、これらのオリゴマーが細胞毒性を発揮する詳細なメカニズムを調べることは困難でした。この問題に対処するために、合理的に設計された単一ドメイン抗体（DesAbs）を用いて、Aβオリゴマーの構造と毒性の関係を明らかにすることをここで実証した。この目的のために、我々は、脳のAβオリゴマーのモデルとしてAβ（Aβ）の40残基型のZn安定化オリゴマーと、それぞれAβの残基18〜24および34〜40にあるエピトープに結合するように設計された2つの単一ドメイン抗体（DesAbおよびDesAb）を使用しています。我々は、DesAbsがZnで安定化されたAβオリゴマーの構造変化を誘導し、そのサイズと溶媒に晒された疎水性の同時増加を生じさせることを発見した。次に、最近提案された一般的な構造と毒性の関係から予測された細胞毒性への影響を実験的に観察したところ、オリゴマーのサイズと疎水性の両方の増加が互いに中和していることがわかりました。これらの結果は、Aβオリゴマーの生物物理学的および細胞毒性特性を調べるための研究ツールとしてのDesAbsの使用を示している。

Alzheimer's disease is associated with the aggregation of the amyloid-β peptide (Aβ), resulting in the deposition of amyloid plaques in brain tissue. Recent scrutiny of the mechanisms by which Aβ aggregates induce neuronal dysfunction has highlighted the importance of the Aβ oligomers of this protein fragment. Because of the transient and heterogeneous nature of these oligomers, however, it has been challenging to investigate the detailed mechanisms by which these species exert cytotoxicity. To address this problem, we demonstrate here the use of rationally designed single-domain antibodies (DesAbs) to characterize the structure-toxicity relationship of Aβ oligomers. For this purpose, we use Zn-stabilized oligomers of the 40-residue form of Aβ (Aβ) as models of brain Aβ oligomers and two single-domain antibodies (DesAb and DesAb), designed to bind to epitopes at residues 18-24 and 34-40 of Aβ, respectively. We found that the DesAbs induce a change in structure of the Zn-stabilized Aβ oligomers, generating a simultaneous increase in their size and solvent-exposed hydrophobicity. We then observed that these increments in both the size and hydrophobicity of the oligomers neutralize each other in terms of their effects on cytotoxicity, as predicted by a recently proposed general structure-toxicity relationship, and observed experimentally. These results illustrate the use of the DesAbs as research tools to investigate the biophysical and cytotoxicity properties of Aβ oligomers.