通过量子点荧光成像观察各种激酶磷酸化的Tau蛋白的聚集特征

Aggregation Characteristics of Tau Phosphorylated by Various Kinases as Observed by Quantum Dot Fluorescence Imaging.

作者信息Eisuke Ishibashi, Koki Araya, Kota Nakamura, Keiya Shimamori, Koji Uwai, Masahiro Kuragano, Kiyotaka Tokuraku
PMID41155414
发布时间2025-10-17
DOI10.3390/ijms262010122

实验完整度

中

本研究包含明确的体外实验方法,包括磷酸化反应、QDs观察、TEM、ThT实验、CD光谱等,但缺乏体内模型或患者样本等独立证据层级,未达高水平完整度。

主要模型

小鼠MBD tau片段 重组大肠杆菌表达体系

重点核对

使用四种激酶(Cdk5/p25、GSK3β、MARK4、p38α)的浓度:5μg/mL、20μg/mL、20μg/mL、10μg/mL 磷酸化条件:20μM tau在20mM MOPS(pH6.8)、1mM MgCl2、4mM ATP缓冲液中37°C孵育24小时 聚集条件:10μM tau在含有50nM QD-tau和10mM DTT的tau缓冲液中,37°C孵育,不使用heparin 聚集起始时间:非磷酸化tau约72h,GSK3β和MARK4磷酸化tau约96h 观测时间点:每隔24小时进行荧光显微镜观察,最长240小时

摘要

本研究聚焦于阿尔茨海默病的特征性tau蛋白异常磷酸化及其聚集过程,旨在比较四种激酶:Cdk5/p25、GSK3β、MARK4和p38α产生的磷酸化tau聚集体的形态和形成过程。使用量子点进行2D和3D结构分析,在非磷酸化tau(non p-tau)以及由GSK3β和MARK4磷酸化的tau中确认了tau聚集体。非磷酸化tau的聚集起始时间约为72小时,而GSK3β和MARK4磷酸化tau的聚集起始时间约为96小时。非磷酸化tau聚集体的厚度约为11 μm,而GSK3β聚集体显著更厚(13 μm)且密度增加。TEM分析表明,形成波浪状细丝的tau不易形成大聚集体。ThT实验和CD光谱显示所有激酶的β-折叠结构增加。非磷酸化tau和GSK3β表现出右旋β-折叠结构增加,而Cdk5/p25、MARK4和p38α则表现出左旋β-折叠结构增加。本研究揭示的激酶活性与tau聚集体形态之间的直接相关性,为理解疾病异质性以及为AD或其它神经退行性疾病建立新的治疗靶点提供了潜在的机制基础。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
不同激酶(Cdk5/p25、GSK3β、MARK4、p38α)磷酸化tau后,其聚集体的形态和形成过程有何差异?
核心机制
激酶类型决定tau聚集体的形态和β-折叠结构的方向(右旋或左旋),其中GSK3β和MARK4磷酸化促进致密聚集体的形成,而Cdk5/p25和p38α形成波浪状纤维抑制大聚集体形成。
主要证据
通过量子点荧光显微镜、共聚焦显微镜、TEM、ThT实验和CD光谱分析,观察到非磷酸化tau、GSK3β和MARK4磷酸化tau形成聚集体,而Cdk5/p25和p38α仅形成波浪状纤维;β-折叠结构分析显示非磷酸化tau和GSK3β增加右旋β-折叠,而Cdk5/p25、MARK4和p38α增加左旋β-折叠。
研究意义
本研究揭示了激酶活性与tau聚集体形态的直接联系,为理解疾病异质性和建立针对AD及其他神经退行性疾病的新型治疗靶点提供了潜在机制基础。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

tau蛋白的磷酸化

验证四种激酶能否对小鼠MBD tau片段进行磷酸化,并确认主要磷酸化位点。

将20μM的鼠MBD tau与各激酶(5μg/mL Cdk5/p25、20μg/mL GSK3β、20μg/mL MARK4、10μg/mL p38α)在含20mM MOPS(pH6.8)、1mM MgCl2和4mM ATP的缓冲液中于37°C孵育24小时,然后通过Phos-tag SDS-PAGE和Western blot分析磷酸化状态。

2

量子点标记tau的聚集观察

观察非磷酸化tau和四种激酶磷酸化tau在无heparin条件下的聚集形成过程。

将QDs交联至tau的半胱氨酸残基,制备QD-tau。将非磷酸化tau和磷酸化tau与tau缓冲液(50nM QD-tau,10mM DTT,1xPBS)混合至10μM,分装至1536孔板,37°C孵育,每隔24小时用倒置荧光显微镜观察,直至240小时。

3

共聚焦显微镜3D分析聚集形态

定量分析聚集体密度和厚度,比较不同激酶处理下的形态差异。

对荧光显微镜观察到的240小时样品进行共聚焦激光扫描显微镜观察,获取切片图像和侧视图,使用ImageJ量化聚集体的密度和厚度。

4

TEM观察纤维形态

观察不同激酶磷酸化tau形成的纤维的超微结构。

将10μM的tau溶液在37°C孵育240小时后,取10μL置于胶体银包被的膜上,室温孵育5分钟,洗涤后用0.375%磷钨酸染色,室温干燥5分钟,使用低加速透射电子显微镜(LVEM5)观察。

5

ThT和CD光谱分析β-折叠结构

定量分析不同激酶磷酸化tau聚集体中β-折叠结构的含量和方向。

将10μM tau溶液与40μM ThT混合,在37°C下每10分钟测量ThT荧光强度,持续240小时。同时,对相同样品进行CD光谱测量,并使用BeStSel软件分析二级结构比例。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Rosetta (DE3) pLys感受态细胞Merck71403-3CN
UNOsphere™ S 色谱柱Bio-Rad Laboratories Inc.1560113
TOYOPEARL® (Butyl-650) 色谱柱Tosoh Co., Ltd.Butyl-650
Cdk5/p25 激酶SignalChem Biotech Inc.C33-10G
GSK3β 激酶SignalChem Biotech Inc.G09-10G
MARK4 激酶SignalChem Biotech Inc.M46-10G
p38α 激酶SignalChem Biotech Inc.M39-10G
Zeba™ 离心脱盐柱Thermo Scientific™89878
Phos-tag 试剂NARD Institute, Ltd.AAL-107
PVDF 膜Bio-Rad Laboratories Inc.1620714
吐温 20Sigma-Aldrich Co. LLCP9416
抗tau抗体Sigma-Aldrich Co. LLCT6042
AT8 抗体InvitrogenMN1020
磷酸化tau (Ser262) 抗体Invitrogen44-750G
磷酸化tau (Ser396) 抗体Invitrogen44-752G
山羊抗兔IgG H&L (HRP)Abcamab205718
EzWestBlue 显色试剂ATTO CorporationWSE-7140
QDot605 量子点InvitrogenQ21501MP
1536孔板Greiner782096
倒置荧光显微镜(Nikon C2 Plus)Nikon--
CCD相机(DP72)Olympus--
共聚焦激光扫描显微镜系统(TE2000)Nikon--
胶体银包被的膜EM Japan K.K.U1005
低加速透射电子显微镜(LVEM5)Delong--
384孔板Corning Inc.3540
微板读取器(SH-9000)Yamato--
分光光度计(J-720WI)JASCO Corp.--
石英微量取样盘池(MSD-462)JASCO Corp.--
ImageJ 软件National Institutes of Health1.54g
BeStSel 在线服务器JASCO Corp.1.3.230210

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
tau磷酸化
激酶种类及浓度:Cdk5/p25 5μg/mL,GSK3β 20μg/mL,MARK4 20μg/mL,p38α 10μg/mL;tau浓度20μM;缓冲液20mM MOPS(pH6.8)、1mM MgCl2、4mM ATP;37°C孵育24小时。
阅读提示:见Methods 4.2 Phosphorylation of Mouse MBD Tau
聚集实验
tau浓度10μM;tau缓冲液成分(50nM QD-tau,10mM DTT,1xPBS);无heparin;37°C孵育,观察时间点(24h间隔,最长240h)。
阅读提示:见Methods 4.5 Observation of Mouse MBD Tau Aggregates Using Quantum Dots
3D形态分析
聚集体的密度和厚度测量方法:使用ImageJ对共聚焦切片图像和侧视图进行量化;统计方法(t-test,误差棒来源)。
阅读提示:见Results 2.4 及 Figure 4 图注
TEM观察
样品浓度10μM;孵育240h;染色方法(0.375%磷钨酸,洗两次);使用低加速TEM(LVEM5)。
阅读提示:见Methods 4.6 Transmission Electron Microscope Observation
β-折叠分析
ThT浓度40μM;测量间隔10min,持续240h;CD光谱参数(185-300nm,带宽1nm,10次扫描);BeStSel版本。
阅读提示:见Methods 4.7 Thioflavin T Fluorescence Experiment 和 4.8 Circular Dichroism Spectroscopy