Strukturelle und funktionelle Einblicke in den Synuclein-Fibrillenpolymorphismus Teil 3

4.3. -Syn-Stämme in Proben menschlicher Synukleinopathie

Die bei rekombinanten Stämmen beobachteten strukturellen und funktionellen Unterschiede können durch die Identifizierung und Charakterisierung von Fibrillen direkt aus Proben von Synucleinopathie-Patienten validiert werden.

Unter rekombinanten Stämmen versteht man Mikrobenarten, die auf genetischer Ebene rekombiniert wurden. In diesem Bereich wurden große Fortschritte erzielt, die uns viele Möglichkeiten bieten. Gleichzeitig untersuchen Wissenschaftler ständig die Auswirkungen rekombinanter Stämme auf Mensch und Umwelt. Forschungsergebnisse der letzten Jahre haben gezeigt, dass rekombinante Stämme einen positiven Einfluss auf das menschliche Gedächtnis haben.

Studien haben ergeben, dass rekombinante Stämme die kognitiven Fähigkeiten und das Gedächtnis des Menschen beeinflussen können, indem sie die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen im Darm verbessern und die nützliche Darmflora steigern. Dieser Kommunikationsmechanismus der Darm-Hirn-Achse wird „Darm-Hirn-Interaktion“ genannt.

Insbesondere kann der rekombinante Stamm die Reparatur der Blut-Hirn-Schranke fördern, indem er die nützliche Flora im Darm erhöht und so die normale Funktion des Gehirns fördert. Darüber hinaus konnte der rekombinante Stamm die Freisetzung von Dopamin und Neuropeptiden steigern, die für das Langzeitgedächtnis und das Lernen von entscheidender Bedeutung sind.

Daher schlagen Wissenschaftler vor, dass Menschen mehr Lebensmittel zu sich nehmen sollten, die reich an Probiotika und Präbiotika sind, wie zum Beispiel Joghurt, Kaffee und Vollkornprodukte. Darüber hinaus können Menschen die Probiotika im Darm durch den Verzehr einiger spezifischer rekombinanter Stämme ergänzen und so die Wirkung der Darm-Hirn-Interaktion weiter fördern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein positiver Zusammenhang zwischen rekombinanten Stämmen und dem Gedächtnis besteht. Menschen sollten wirksame Maßnahmen ergreifen, um die Kommunikation zwischen Darm und Gehirn zu fördern und dadurch ihr Gedächtnis und ihre kognitiven Fähigkeiten zu verbessern. Es ist ersichtlich, dass wir das Gedächtnis verbessern müssen, und Cistanche deserticola kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da Cistanche deserticola auch das Gleichgewicht von Neurotransmittern regulieren kann, beispielsweise durch die Erhöhung des Acetylcholin- und Wachstumsfaktorspiegels. Diese Stoffe sind sehr wichtig für das Gedächtnis und das Lernen. Darüber hinaus kann Cistanche deserticola auch die Durchblutung verbessern und die Sauerstoffversorgung fördern, wodurch sichergestellt werden kann, dass das Gehirn ausreichend Nährstoffe und Energie erhält, wodurch die Vitalität und Ausdauer des Gehirns verbessert werden.

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Der erste Hinweis auf einen aus dem Gehirn stammenden Stamm stammt aus einer bahnbrechenden Studie von Prusineret al. [270], die zeigten, dass Gehirnextrakte aus MSA auf transgene Mäuse und Zellen übertragbar sind, was zu einer häufigen -Syn-Pathologie führte [270]. Im Gegensatz dazu wurde dies bei Verwendung von Hirnextrakten aus PD nicht beobachtet, was darauf hindeutet, dass der von PD abgeleitete Stamm sich von MSA unterscheiden könnte [270].

Dann stellt sich die Frage: Was könnte dazu führen, dass Syn bei MSA oder PD eine andere Konformation annimmt? In vitro führen verschiedene Lösungsbedingungen (wie die Anwesenheit oder Abwesenheit von Salz) zu Fibrillen mit unterschiedlichen strukturellen und funktionellen Eigenschaften [29]. Ebenso ist -Syn auch in vivo mehreren Mikroumgebungen ausgesetzt, was seine Aggregation beeinflusst [271].

Die dopaminergen Neuronen bei Parkinson und die bei MSA betroffenen Oligodendrozyten gehören unterschiedlichen Zelllinien an und haben unterschiedliche Zellumgebungen. Lee und Mitarbeiter zeigten, dass unterschiedliche intrazelluläre Umgebungen zweier Zelllinien die Stammbildung bei MSA und PD beeinflussen [34]. -Syn-Fibrillen, die von GCIs in Oligodendrozyten (GCI- -Syn) und LBs in Neuronen (LB- -Syn) erkrankter Gehirne abgeleitet sind, unterscheiden sich erheblich und weisen unterschiedliche Seeding-Fähigkeiten auf [34].

Der GCI- -Syn-Stamm ist im Vergleich zum LB- -Syn-Stamm bei der Aussaat-Synaggregation äußerst effektiv und trägt so zur Aggressivität von MSA bei [34]. -Syn-Aggregate wurden auch in biologischen Flüssigkeiten wie Liquor cerebrospinalis (CSF) und Plasma von PD-Patienten nachgewiesen [272,273]. -Syn-Aggregation beginnt Jahre vor dem Einsetzen tatsächlicher Krankheitssymptome und daher kann der Nachweis dieser Aggregate in frühen Stadien die Identifizierung und Charakterisierung eines bestimmten Stamms in diesen Flüssigkeiten ermöglichen.

In diesem Zusammenhang wurde kürzlich die Amplifikation von -Syn-Aggregaten aus Gehirnextrakten von Parkinson- und MSA-Patienten mithilfe der PMCA-Technik (Protein Misfolding CYCLIC Amplification) entwickelt. Diese Technik beinhaltet die Amplifikation fehlgefalteter Proteine ​​in vitro, wie die DNA-Amplifikation durch PCR [274]. Es besteht aus abwechselnden Inkubations- und Ultraschallzyklen, die zur Amyloidreplikation führen.

Zunächst wird eine Spurenmenge Amyloid mit einem Überschuss an nativem Protein inkubiert, um das Polymerwachstum zu induzieren. Anschließend wird die Probenmischung einer Ultraschallbehandlung unterzogen, wodurch die Fibrillen aufgebrochen werden und mehrere Kerne entstehen.

Jeder neu gebildete Kern wird dann im nächsten Zyklus als Keim wirken und das Fibrillenwachstum weiter induzieren. Auf diese Weise steigt die Anzahl der Samen nach jedem Zyklus exponentiell an und ermöglicht die Erkennung der winzigen Menge an fehlgefalteten Aggregaten, die zu Beginn vorhanden sind [274]. Soto und Mitarbeiter verwendeten PMCA, um die -Syn-Aggregate aus dem Liquor von Patienten mit diagnostizierter Parkinson-Krankheit und MSA zu verstärken [52].

Sie fanden heraus, dass von PD und MSA abgeleitete Fibrillen unterschiedliche biophysikalische und biochemische Eigenschaften aufweisen und unterschiedlichen Konformationsstämmen von -Syn entsprechen [52]. Sogar -Syn-Aggregate, die aus PD- und MSA-Gehirnhomogenaten amplifiziert wurden, haben nachweislich eine unterschiedliche Toxizität und Neurodegeneration in menschlichen dopaminergen Neuronen, was die unterschiedliche Schwere der Erkrankung widerspiegelt, die bei PD- und MSA-Patienten aufgrund unterschiedlicher -Syn-Stämme beobachtet wird [275].

Diese Ergebnisse legen schlüssig nahe, dass Synukleinopathien anhand der Art des im Gehirn vorhandenen -Syn-Stamms unterschieden werden können. Allerdings wird die Erkennung von Aggregaten komplexer, wenn bei derselben Krankheit eine Heterogenität von Patient zu Patient beobachtet wird. Diese Heterogenität in -Syn-Aggregaten, die aus Gehirnextrakten von PD-Patienten amplifiziert wurden, ist größer als in MSA-Gehirnextrakten [276].

Strohaker et al. berichteten, dass die von PD und MSA abgeleiteten Fibrillen keine deutlich unterschiedlichen Struktureigenschaften aufweisen [276], im Gegensatz zu den Befunden von Soto und Mitarbeitern [52].

Der mögliche Grund für die gegensätzlichen Beobachtungen könnten die Unterschiede in den von den beiden Gruppen verwendeten PMCA-Protokollen sein [277]. Darüber hinaus haben Strohaker et al. verwendete eine viel kleinere Stichprobengröße als Sotos Gruppe [52,276]. Andere Faktoren wie der genetische Hintergrund der Patienten, das Alter der ausgewählten Patienten, eine Menge an -Syn-Aggregaten bei verschiedenen Patienten, das Vorhandensein anderer Komponenten in den Extrakten und die Region des Gehirns, aus der die Extraktion durchgeführt wurde, könnten ebenfalls eine Rolle spielen für diese Unterschiede verantwortlich [276].

Ähnliche Widersprüche bestehen auch auf dem Gebiet der AD-Pathologie. Jüngste Erkenntnisse zu aus dem Gehirn stammenden Tau-Proben deuten darauf hin, dass bei derselben Krankheit, AD, eine Heterogenität der Tau-Fibrillenkonformationen von Patient zu Patient besteht [278]. Goedert und Kollegen beobachteten jedoch in allen bisher analysierten AD-Fällen die gleiche Art der Tau-Konformation, was darauf hindeutet, dass Tau-Fibrillen einer einzelnen Krankheit (wie AD oder Pick-Krankheit) eine gemeinsame Strukturfalte annehmen [218,219].

Obwohl die Gründe und Faktoren, die diese strukturelle Spezifität bei Tauopathien vorantreiben, unklar sind, könnte sie auf mehrere Isoformen von Tau, PTMs, Wechselwirkungen mit anderen Proteinmolekülen, Co-Faktoren usw. zurückzuführen sein.

Kürzlich präsentierten Scheres und Godert eine hierarchische Klassifizierung von Taufibrillen verschiedener Tauopathien basierend auf den Falten ihrer Filamente [279]. Ob es eine ähnliche Klassifizierung für aus Synukleinopathie-Proben isolierte -Syn-Fibrillen gibt, muss noch ermittelt werden. Kürzlich wurden von Schweighauser et al. große Anstrengungen unternommen, um die Struktur von Synder aus dem menschlichen Gehirn mithilfe von Kryo-EM aufzuklären [280].

Die Gruppe stellte fest, dass -Syn-Filamente aus dem Gehirn von DLB-Patienten sich nicht verdrehen und dünner sind als diejenigen, die aus dem Gehirn von MSA-Patienten stammen [280], was mit den vorherigen Erkenntnissen übereinstimmt [3]. Das Fehlen von Verdrehungen in aus DLB stammenden Fibrillen schloss die Bestimmung der 3D-Struktur durch Kryo-EM aus, und die Unterschiede in -Syn-Fibrillen aus MSA- und DLB-Patienten wurden auf der Grundlage einer zweidimensionalen Klassenmittelung ermittelt [280].

Obwohl wir weitere hochauflösende Strukturen von Synukleinopathie-Patienten benötigen, um zu einer endgültigen Schlussfolgerung zu gelangen, untermauern die vorliegenden Berichte sicherlich die Behauptungen über die Existenz verschiedener Fibrillentypen von -Syn.

Darüber hinaus sind die Strukturen von -Syn-Filamenten aus PD-Fällen noch nicht verfügbar, ihre zukünftige Aufklärung kann jedoch erheblich dazu beitragen, den Krankheitsmechanismus zu verstehen und therapeutische Ansätze gegen Synukleinopathien zu entwickeln.

5. Hochauflösende Strukturmodelle bestehender -Syn-Fibrillenstämme

Bisher wurden verschiedene biophysikalische Techniken wie ssNMR, Mikroelektronenbeugung, EPR, Zirkulardichroismus (CD), Wasserstoff/Deuterium-Austausch-NMR (HDXNMR) und Kryo-EM verwendet, um die Struktur von -Syn-Fibrillen bei unterschiedlichen Auflösungen zu bestimmen.

Diese Techniken haben den Grundstein für den Polymorphismus in Fibrillen auf molekularer Ebene gelegt. Die Blattstruktur des Fibrillenkerns mittels ssNMR ergab zwei Fibrillen, Form A und Form B, durch sequentielle Zuordnung von 48 Resten des Kerns [56].

Die Studie klärte das Vorhandensein von zwei Fibrillenpolymorphen auf, die sich möglicherweise aufgrund unterschiedlicher Fibrillierungsmechanismen gebildet haben [56]. Ebenso zeigten die beiden in vitro erzeugten gegensätzlichen Fibrillenstrukturen „Bänder“ und „Fibrillen“ Unterschiede in der Länge, Verteilung und Anzahl der Blattelemente in ihrer Fibrillenstruktur, analysiert durch ssNMR [29].

Trotz mehrerer Versuche ist jedoch weitgehend unbekannt, wie sich Polymorphe von -Syn-Fibrillen in der Atomstruktur unterscheiden. Die Revolution im strukturellen Polymorphismus kam, nachdem die Struktur der -Syn-Fibrille mithilfe von Kryo-EM auf atomarer Ebene gelöst wurde. Stahlberg und die Gruppe enthüllten, dass die -Syn-Fibrillen (Reste 1–121) aus zwei identischen Protofilamenten bestehen [61].

Die -Faltblätter jedes Protofilaments interagieren und stabilisieren die Struktur über eine hydrophobe Reißverschlussgeometrie [61]. Bemerkenswerterweise sind die Reste 50–57 an der Protofilament-Grenzfläche auch der Ort familiärer PD-Mutanten (A53T/V/E), H50Q und G51D [61]. In diesem Zusammenhang wurde vorhergesagt, dass diese Mutationen die Fibrillenstruktur verändern könnten, was zu unterschiedlichen Fibrillentypen führen könnte.

Nachfolgende Kryo-EM-Studien der Struktur von -Syn in voller Länge zeigten einen Unterschied in der Chiralität und einer helikalen Drehung [281] im Vergleich zur C-terminalen verkürzten -Syn-Fibrillenstruktur (Reste 1–121) [61]. Es wurde angenommen, dass diese Unterschiede in den Strukturen von Fibrillen voller Länge (1–140) und C-terminal verkürzten Fibrillen auf Fibrillenpolymorphismus zurückzuführen sein könnten.

Der direkte Beweis dieser Theorien wurde durch aktuelle bahnbrechende Studien erbracht, bei denen Kryo-EM zur Beschreibung der Modelle von -Syn-Fibrillenpolymorphen verwendet wurde. Li et al. identifizierten zwei Fibrillenpolymorphe, „Stab“ und „Twister“, mit einer gemeinsamen Protofilamentkernstruktur, aber unterschiedlichen Schnittstellen zwischen den Protofilamenten [57]. Twister-Polymorphe zeigen ein geordnetes gebogenes - --Archmotiv, während Stab-Polymorphe einige zusätzliche Reste rekrutieren, um ein „Griechisch-Schlüssel“-Motiv zu bilden, wie auch von anderen Gruppen berichtet [55,61,281].

Das Vorhandensein von Polymorphen in Stab- und Twisterformen legt nahe, dass Unterschiede in der Packung derselben Kernstruktur zu Polymorphismus führen können. Ähnliche Beobachtungen wurden auch für andere Amyloidproteine ​​wie -Amyloid und Tau gemacht, bei denen die Protofilamente mit der gleichen Kernstruktur, aber unterschiedlichen Packungsanordnungen zu polymorphen Strukturen führen [40,282].

Darüber hinaus unterscheiden sich die beiden neuen polymorphen Formen von -Syn-Fibrillen, die in vitro erzeugt werden und als Polymorphe 2a bzw. 2b bezeichnet werden, von den zuvor beschriebenen Polymorphen 1a und 1b [57,61,281]. Im Polymorph 1a [61] sind die Wechselwirkungen zwischen den Resten an der Protofilament-Schnittstellen werden durch die Bildung einer hydrophoben sterischen Reißverschlussgeometrie vermittelt, wohingegen sie in den Polymorphen 2a und 2b durch Salzbrücken vermittelt werden [41,61].

Die genauere Betrachtung der Strukturunterschiede zwischen den Polymorphen 1a/1b und den neuen Polymorphen 2a/2b ergab weitere Unterschiede in der Anordnung der -Bogen-Motive, die die Grenzfläche der Protofilamente zwischen den Polymorphen 1 und 2 verändern [41].

Diese Studien untermauern die Hypothese, dass sich das gleiche Vorläuferprotein -Syn in vitro zu mehreren Fibrillenpolymorphen zusammenlagern kann, die sich hinsichtlich der atomaren Auflösung radikal voneinander unterscheiden. Goedert und seine Kollegen untersuchten kürzlich Kryo-EM-Strukturen von Tau-Fibrillen, die von der Alzheimer- und Pick-Krankheit stammen Gehirne von Patienten [40,218,219].

Sie fanden bei beiden Krankheiten unterschiedliche Falten von Tau-Filamenten, was darauf hindeutet, dass bei verschiedenen Tauopathien unterschiedliche Konformere von Tau existieren. Dieselbe Gruppe berichtete über zwei Arten von -Syn-Filamenten, Typ I und Typ II, aus den Gehirnen von Personen, die an MSA leiden [280]. Sie fanden heraus, dass jedes Filament aus zwei nicht identischen Protofilamenten besteht.

Der durch die dichte Packung der Protofilamente gebildete Hohlraum schließt weitere, noch zu bestimmende Moleküle ein [280]. Die 2D-Klassenmittelung ergab auch unterschiedliche Fibrillen von MSA- und DLB-Patienten, was auf die Existenz unterschiedlicher Konformere im Zusammenhang mit Synukleinopathie schließen lässt.

Darüber hinaus wäre es interessant zu fragen, ob die vom Patienten stammenden Fibrillen irgendeinen Grad an Ähnlichkeit mit den in vitro erzeugten Fibrillen aufweisen. Die Charakterisierung auf molekularer Ebene und der Vergleich von aus dem Gehirn stammenden Fibrillenproben mit in vitro erzeugten Fibrillen ergaben, dass diese beiden strukturell unterschiedlich sind [276,280]. Der Hauptunterschied zwischen den von MSA abgeleiteten und synthetischen Filamenten besteht in der Größe und Packung der Protofilamente in MSA-Fibrillen [280].

Darüber hinaus verwenden Forscher raue Bedingungen wie Bewegung, Salzkonzentration usw., um synthetische Fibrillen zu erzeugen und zu isolieren, die sich auf die Packung und Blattanordnung der Filamente auswirken [10,283–285]. Dadurch wird es schwierig, die In-vitro-Ergebnisse mit In-vivo-Szenarien zu korrelieren.

Andererseits erhält man möglicherweise nur vorgebildete Fibrillen aus durch Krankheiten gewonnenen Proben, versteht aber möglicherweise nicht, wie sie entstanden sind und welche Faktoren die Bildung verschiedener Fibrillen in verschiedenen Gehirnproben gesteuert haben. Es ist eine Herausforderung, die vorübergehenden toxischen Spezies oder Zwischenprodukte aus den Gehirnproben zu isolieren, um die Pathogenese der Krankheit zu verstehen.

Daher müssen wir uns auf In-vitro-Proben verlassen, um die Mechanismen der Fibrillenbildung, die Wege und die Kinetikanalyse zu beschreiben. In ähnlicher Weise müssen wir dasselbe mithilfe von aus dem Gehirn stammenden Fibrillen testen, um eine umfassendere Wissensbasis zu entwickeln. Insgesamt könnten die hochauflösenden Strukturen von -Syn-Polymorphen Forschern bei der Suche nach potenziellen therapeutischen Zielen helfen.

Allerdings ist eine gründliche Untersuchung erforderlich, um den Einfluss von Zellzuständen, Mutationen, PTMs, Vorhandensein von Co-Faktoren usw. auf die -Syn-Fibrillenstruktur und den Zusammenhang verschiedener Fibrillenpolymorphe mit der bei Parkinson beobachteten klinischen Variabilität zu verstehen.

6. Familiäre Mutationen von -Syn bilden unterschiedliche Fibrillenkonformationen

-Syn-Oligomerisierung und -Aggregation sind mit der PD-Pathogenese verbunden. Bisher wurden sieben familiäre Missense-Mutationen im SNCA-Gen entdeckt, die mit früh und spät einsetzender Parkinson-Krankheit assoziiert sind [83–90].

Unter diesen PD-assoziierten Mutationen beschleunigen E46K-, H50Q-, A53T- und neu entdeckte A53V-Mutanten die Rate der -Syn-Aggregation, wohingegen A30P-, G51D- und A53E-Mutationen die Aggregationskinetik in vitro verlangsamen [91,93,96]. Der Zusammenhang zwischen der Aggregationsrate (in vitro) und dem Alter des Krankheitsausbruchs (in vivo) ist nicht eindeutig [103].

Obwohl in den frühen Stadien der Aggregationskinetik gebildete Oligomere potenziell toxisch sind [286], zeigt nur A30P eine schnellere Oligomerisierung und eine verzögerte Umwandlung von Oligomeren in Fibrillen [102]. G51D hingegen weist eine langsame Oligomerisierung und langsame Fibrillenbildung auf [287,288], ist jedoch mit einem frühen Ausbruch der Krankheit verbunden.

Aufgrund dieser Komplexität im Verhalten familiärer Mutanten ist es schwierig, einen einheitlichen Mechanismus zu finden, durch den sie die Krankheit verursachen. Frühere Berichte deuten darauf hin, dass -Syn bei der Bindung an Membranen in vivo eine helikale Struktur annimmt [289,290].

Jede einzelne Aminosäureänderung in der N-Terminus-Domäne von -Syn kann die Membranbindungsfähigkeit verändern und die zytosolische Konzentration des Proteins erhöhen, indem sie eine schnellere Aggregation fördert [291,292]. Die Membranbindungsdaten familiärer -Syn-Mutanten aus unserem Labor [92] und anderen [110,288,292,293] haben gezeigt, dass H50Q-, A53T- und E46K-Mutanten eine erhöhte Membranbindung aufweisen, während A53E-, G51D- und A30P-Mutanten eine verringerte Membranbindung aufweisen.

Dies deutet darauf hin, dass, ähnlich wie bei der Aggregation, die Membranbindungsfähigkeit nicht mit einer erhöhten Krankheitsneigung durch familiäre -Syn-Mutationen korreliert. Daher besteht keine Korrelation zwischen der Aggregations- und Membranbindungsfähigkeit und der tatsächlichen Krankheitspathogenese, die durch die familiären Mutanten von -Syn verursacht wird.

Dies wirft die Frage auf, wie eine Punktmutation in einem nativ unstrukturierten Protein drastische Unterschiede im Krankheitsausbruch und -verlauf zeigt. Wir glauben, dass es möglich sein könnte, dass verschiedene -Syn-Mutanten unterschiedliche Arten und Mengen an Oligomeren produzieren und auch die Aussaatkapazität von Wildtyp-Proteinen auf einzigartige Weise verändern können [103].

Aus diesem Grund beeinflussen Mutanten nicht nur die Gesamtaggregationsrate des Proteins, sondern auch die mikroskopischen Schritte, die an der Amyloidbildung beteiligt sind, dh die Initiierung und Verstärkung von -Syn durch den sekundären Keimbildungsprozess [294]. Interessanterweise haben Lazaro et al. fanden heraus, dass A30P, E46K, H50Q, G51D und A53T trotz identischer Oligomerisierungsneigung in kultivierten Zellen unterschiedliche Fähigkeiten zur Bildung von Einschlüssen aufweisen [295]. A30P zeigte eine verringerte Neigung zur Bildung von Einschlüssen in Zellen, wohingegen die E46K- und G51D-Mutanten einen gegenteiligen Effekt zeigten [295].

Auch hier korrelierte die Einschlussbildung in Zellen [295] nicht mit der Aggregationsneigung von Mutanten in vitro [12,91–93,102]. Daher ist die Beantwortung dieser Fragen darüber, wie Wildtyp-Syn und seine Mutanten zum frühen und späten Ausbruch der Parkinson-Krankheit beitragen, wichtig für das Verständnis der unterschiedlichen Pathogenese von Synukleinopathien.

Die Fibrillenbildung reagiert sehr empfindlich auf Veränderungen in der lokalen und/oder globalen Mikroumgebung des Proteins. Dies legt nahe, dass eine einzelne Aminosäureänderung aufgrund unterschiedlicher ortsspezifischer Konformationsdynamiken zu Polymorphismus führen kann, wie für den Wildtyp und die Fibrillen von E46K, A30P und A53T gezeigt wurde [296]. In diesem Zusammenhang untersuchten Knowles und Mitarbeiter kürzlich den systematischen Vergleich von -Syn und seinen krankheitsassoziierten Mutanten mithilfe biophysikalischer Techniken [297]. PD-Mutanten erzeugen Fibrillenpolymorphe mit unterschiedlicher Morphologie und Sekundärstrukturen im Vergleich zum Wildtyp-Protein [297].

Tatsächlich haben mehrere Berichte unabhängig voneinander bestätigt, dass verschiedene -Syn-Mutanten Fibrillen mit charakteristischer Morphologie bilden, die durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM)-Studien, einzigartige Röntgenbeugungsmuster (XRD) und Unterschiede in den Sekundärstrukturelementen aufgedeckt wurden (Abbildung). 4A, B).

Darüber hinaus wird die Schnittstelle der beiden Protofilamente in der -Syn-Fibrillenstruktur durch die Reste 50–57 gebildet, die ebenfalls drei familiäre Mutationen beherbergen [61]. Dies deutet darauf hin, dass selbst eine Einzelpunktmutation die Dynamik und Packung der Protofilamente verändern kann.

Eine genauere Untersuchung der von Mutanten durch Kryo-EM gebildeten Fibrillen [298–300] enthüllte die Plastizität solcher Fibrillen in Bezug auf Drehungen, die Anzahl der interagierenden Protofilamente, Packungsanordnung, Sekundärstrukturelemente und Quartärform usw. (Abbildung 4C, D).Boyer und seine Gruppe untersuchten H50Q-Mutanten und fanden schmale (1c) und breite Fibrillen (1d) mit jeweils einem oder zwei Protofilamenten [300].

Obwohl die mutierten Fibrillen die gleiche konservierte Kernstruktur wie zuvor für Wildtyp-Syn aufweisen, zeigten sie eine neue Protofilamentanordnung und Wasserstoffbrückennetzwerke [300]. Darüber hinaus liegt A53 im Zentrum der Schnittstelle der interagierenden Protofilamente im Wildtyp-Syn [61] und ist auch ein Hotspot für viele Punktmutationen [16,89,90].

Kryo-EM-Studien mit N-terminal acetyliertem A53T-Mutanten zeigten keine Veränderung in der Faltung von Wildtyp-Syn [299]. Die Mutation stört jedoch die Wechselwirkungen zwischen den Resten und ordnet die Ausrichtung der Protofilament-Schnittstelle neu an, was zu einer anderen führt Art der Fibrillen [299]. Dies könnte auch bei den anderen beiden A53-Mutationen, also A53E und A53V, der Fall sein, aber diese Möglichkeit muss noch entdeckt werden.

Die vorherrschende Hypothese wurde auch durch die Kryo-EM-Modellierung von durch die E46K-Mutation gebildeten Fibrillen gestützt. Es zeigte die Bildung von Fibrillenpolymorphen mit unterschiedlicher Protofilamentpackung und Grenzflächen im Vergleich zum Wildtyp-Syn [298,301]. Darüber hinaus bildete es eine stabilere und pathogenere Variante des Wildtyp-Syn [298]. Insgesamt legen diese Studien nahe, dass die Packung der Protofilamente und die Grenzfläche für die Bestimmung der Fibrillenstruktur von entscheidender Bedeutung sind.

Jede familiäre Mutation kann sich wie ein Stamm von -Syn verhalten und die Struktur und Dynamik der resultierenden Fibrillen auf einzigartige Weise verändern. Diese Unterschiede in der Fibrillenstruktur können zu unterschiedlichen klinischen und pathologischen Ergebnissen führen und dadurch zur Krankheitsheterogenität bei Synukleinopathien beitragen.

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