https://doi.org/10.1101/2025.03.31.646415
요약
- Amyloid-β 섬유에서의 이차 핵생성(secondary nucleation) 메커니즘 규명: 이 연구는 알츠하이머병(Alzheimer’s disease)과 관련된 amyloid-β (Aβ40 및 Aβ42) 섬유에서 이차 핵생성이 주로 섬유 내부의 성장 결함(growth defects)에서 발생한다는 것을 밝혔습니다. 기존에는 섬유 표면 전체에서 균일하게 발생한다고 여겨졌지만, 실제로는 드문 결함 부위가 촉매 역할을 한다는 것을 입증하였습니다.
- Brichos 단백질을 이용한 이차 핵생성 부위 측정: Brichos 분자 샤페론을 사용해 Aβ 섬유의 이차 핵생성 부위(stoichiometry)를 정량화한 결과, Aβ42는 150개, Aβ40은 50개의 단량체(monomer)마다 하나의 이차 핵생성 부위가 존재함을 확인하였습니다. 이 부위들은 Brichos와 강하게 결합하며, 이 결합은 이차 핵생성을 억제합니다.
- 성장 결함을 제거한 annealed fibril 생성 및 비교: 온도 조절을 통해 과포화(supersaturation)를 줄이고 성장 결함이 거의 없는 annealed fibril을 제조하였고, 이를 일반 fibril과 비교하였습니다. cryo-EM 분석 결과 두 섬유는 외형적으로 동일했지만, annealed fibril은 이차 핵생성 부위가 95% 감소하였고, 이는 결함이 이차 핵생성의 주 원인임을 시사합니다.
- 이차 핵생성 속도 및 결함 빈도 감소 검증: Annealed fibril은 이차 핵생성 속도가 정상 fibril 대비 92~95% 감소하였으며, 이는 Brichos 결합량과도 일치하였습니다. 이를 통해 결함 빈도가 이차 핵생성 속도와 직접적으로 연결되어 있음을 확인했습니다.
- 결함 기반 이차 핵생성의 일반화 가능성: 본 연구는 Aβ 섬유뿐만 아니라 다른 아밀로이드 섬유(예: α-synuclein, IAPP)에서도 결함 기반 이차 핵생성이 공통 메커니즘일 가능성을 제시합니다. 이는 Brichos가 다양한 아밀로이드에 결합하는 점, 그리고 결함이 이차 핵생성 및 독성 올리고머 생성의 중심 역할을 한다는 점에서 치료제 개발의 새로운 방향을 제공합니다.
Abstract
The nucleation of amyloid fibrils from monomeric protein, catalyzed by the surface of existing fibrils, is an important driver of many disorders such as Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. The structural basis of this secondary nucleation process, however, is poorly understood. Here, we ask whether secondary nucleation sites are found predominantly at rare growth defects: defects in the fibril core structure generated during their original assembly. We first demonstrate using the specific inhibitor of secondary nucleation, Brichos, that secondary nucleation sites on Alzheimer’s disease-associated fibrils composed of Aβ40 and Aβ42 peptides are rare compared to the number of protein molecules they contain. We then grow Aβ40 fibrils under conditions designed to eliminate most growth defects while leaving the regular fibril morphology unchanged, and confirm the latter using cryo-electron microscopy. We measure both the ability of these annealed fibrils to promote secondary nucleation and the stoichiometry of their secondary nucleation sites, finding that both are greatly reduced as predicted. Re-analysis of published data for other proteins suggests that fibril growth defects that expose monomer planes or other structural units may also drive secondary nucleation generally, across most or all amyloids. These findings could unlock structure-based drug design of therapeutics that aim to halt amyloid disorders by inhibiting secondary nucleation sites.