高速原子間力顕微鏡によるα-シヌクレインフィブリル成長速度と構造の自己播種とクロスシーディング

Self- and Cross-Seeding on α-Synuclein Fibril Growth Kinetics and Structure Observed by High-Speed Atomic Force Microscopy.

• Takahiro Watanabe-Nakayama
• Maika Nawa
• Hiroki Konno
• Noriyuki Kodera
• Toshio Ando
• David B Teplow
• Kenjiro Ono

抄録

フィブリル形成は、アミロイド疾患における義務的なプロセスであり、核生成と伸長の段階を経て、クロスβシート構造を持つ長いフィラメントが形成されることを特徴としている。この過程の速度論と二次核生成の速度論は、核（シード）構造、モノマーの構造、生化学的環境などの様々な要因によって制御されています。いくつかのフィブリルアミロイド集合体はプリオンとして機能し、既存のプリオンシードによってテンプレート化されたタンパク質モノマーから自らを複製する。異なる物理化学的および病理学的特性を特徴とするプリオン株もまた、感受性のある生物内でのテンプレート化プロセスの摂動によって形成されることがある。パーキンソン病の発症・進行過程で生じる摂動の種類と影響を理解することは、今後の研究課題である。ここで、我々は高速原子間力顕微鏡を用いて、野生型（WT）または変異型αシヌクレインとWTまたは変異型αシヌクレインの種子との自己播種または交雑播種によって開始されるαシヌクレインフィブリル伸長の速度論および構造動態を決定した。交配は、伸長率だけでなく、成長するフィブリルの構造にも影響を与えることがわかった。このようにして生産されたいくつかのフィブリルは、その「親」種子とは異なる構造を有していた。他のケースでは、クロスシーディングが全く観察されなかった。これらの知見は、α-シヌクレイン配列の変異体が、自己播種または交雑播種によって異なるタイプの株を産生しうることを示唆している。特定の株の永続化は、フィブリルの相対的な成長速度および各株によって形成されるフィブリルの相対的な安定性に依存するであろう。

Fibril formation is an obligatory process in amyloid diseases and is characterized by nucleation and elongation phases that result in the formation of long filaments with cross-β sheet structure. The kinetics of this process, as well as that of secondary nucleation, is controlled by a variety of factors, including nucleus (seed) structure, monomer conformation, and biochemical milieu. Some fibrillar amyloid assemblies act as prions, replicating themselves from protein monomers templated by existing prion seeds. Prion strains, which are characterized by distinct physicochemical and pathologic properties, may also form due to perturbation of the templating process within the susceptible organism. Understanding the types and effects of perturbations occurring during the development and progression of Parkinson's disease is an area requiring more study. Here, we used high-speed atomic force microscopy to determine the kinetics and structural dynamics of α-synuclein fibril elongation initiated by self-seeding or cross-seeding of wild type (WT) or mutant α-synuclein with WT or mutant α-synuclein seeds. We found that cross-seeding modulated not only elongation rates but also the structures of the growing fibrils. Some fibrils produced in this manner had structures distinct from their "parent" seeds. In other cases, cross-seeding was not observed at all. These findings suggest that α-synuclein sequence variants can produce different types of strains by self- or cross-seeding. Perpetuation of specific strains then would depend on the relative rates of fibril growth and the relative stabilities of the fibrils formed by each strain.