肽涂层的纳米粒子可以告诉我们痴呆的原因是什么？

纽约Geneseo学院大学化学教授Kazushige Yokoyama研究了肽的互动。与Akane Ichiki一起，他的团队一直在研究患有原纤维生殖的肽，该过程发生在大脑中，以形成涉及阿尔茨海默氏症和帕金森等患有神经变性疾病的一些症状的聚集体。它们的系统涉及用肽涂覆金纳米粒子并使用光谱技术来研究这些肽如何与纳米颗粒和彼此相互作用。

根据世界卫生组织的数据，全世界大约有5000万人患有痴呆症。尽管痴呆症与老年人有关，但它并不被认为是衰老的正常组成部分。阿尔茨海默病和帕金森氏病是全世界老年人残疾和依赖的主要原因，导致认知和运动能力的进行性恶化。这些影响可能是压倒性的——不仅对痴呆症患者，对他们的照顾者和家人也是如此。

导致阿尔茨海默氏症和帕金森病的机制很差。两种疾病之间的常见螺纹是它们涉及脑细胞中肽的积聚或“聚集”。当在帕金森发生时，在阿尔茨海默氏症和石油织物中称为斑块 - 这两种疾病中的神经元变性的核心。

汇总形成
研究形成这些聚集体的方式是困难的。聚集体本身由多种肽组成。肽组合形成低聚物 - 由多种肽组成的重复结构。这些继续生长，加入并最终足够大以形成原纤维，这是与这些神经变性疾病相关的有毒聚集体的主要组成部分。

纤维形成的过程，称为纤维形成，是理解这些疾病的关键。然而，这也很难研究:“前原纤维”低聚物的形成是可逆的，并且是短暂的。一些人认为这种低聚物具有神经毒性，但产生的原纤维没有。因此，很难确定纤维发生的关键方面，包括蛋白质如何开始形成原纤维。目前还没有直接的研究来确定肽段，该肽段负责初始化与原纤中其他肽段的网络。

捕捉最初纤维形成的系统
为了研究这一过程，纽约州立大学Geneseo学院的化学教授横山一成(Kazushige Yokoyama)领导了一个小组，他们使用一种涉及肽包覆金纳米颗粒的系统，研究纤维发生的初始阶段。该组织的本科生Akane Ichiki也参与了这项研究。在这个项目中，她与人合写了一本书的一章，内容是关于该系统如何被用于研究肽网络。

该小组研究蛋白质之间的网络的系统涉及到在金纳米颗粒上涂上已知的在神经退行性疾病中形成原纤维的肽。他们的目的是利用金纳米粒子的表面电位捕获只存在于纤维形成初期的不稳定物种。

他们的系统对于研究这一过程特别有效，因为当肽包被的金纳米颗粒在一个网络中聚集时，悬浮液会发生剧烈的颜色变化，允许使用光谱定量研究这一过程。

躺下或尖顶？
为了了解在原纤维网络中，单个蛋白质的哪个片段被用于结合，横山的研究小组首先确定了肽是如何附着在金纳米粒子的球形表面上的。

研究小组研究了三种多肽-淀粉样β1-40 (Aβ1-40)、α-synuclein (α-syn)和β2微球蛋白(β2m)，它们都是原纤维的关键成分。这些多肽的形状近似为一个长椭球体——这种形状最好被描述为相当于一个由椭圆形而不是圆形形成的球体。想想橄榄球吧!

因此，当在纳米颗粒附着时，肽具有两种选择：以“避免”取向或“尖刺式”取向。在外展课程中，Yokoyama使用围绕海滩球的鸡蛋的例子：他们会躺在他们身边还是在他们的一端？

在外展课程中，Yokoyama使用围绕海滩球的鸡蛋的例子：他们会躺在他们身边还是在他们的一端？

最初，研究小组预计“躺下”的方向会更受青睐，因为肽的长边缘会接触到纳米颗粒。这将使接触面积最大化，允许多肽和纳米颗粒之间形成一个强键。

然而，存在于每个纳米颗粒的表面上存在的肽的数量是不可能使用避开方向解释：每种肽会在未被覆盖的表面上留下过多的空间。基于其观察到的数据和使用数学模拟，计算出的接触点数量的唯一解释是肽必须以尖刺式取向布置。这意味着密集对齐的小型接触区域可以用“尖刺式”肽几乎覆盖球体的整个表面。

这些关于多肽方向的信息也使研究小组能够提出每个多肽的哪些特定部分可能作为与金纳米颗粒的接触点。

纳米粒子组装
然后，该团队研究了肽涂层的金纳米颗粒如何彼此相互作用。在酸性条件下，肽改变其形式，展开以变得更加拉伸，并且肽涂覆的纳米颗粒组装成纳米颗粒的收集或“聚集体”，通过肽之间的相互作用在每个纳米颗粒表面之间保持在一起。

利用透射电子显微镜(TEM)，研究小组收集了图像来研究这些由肽网络连接在一起的金纳米颗粒。在聚集的金颗粒中，每一个由肽网络组成的关节都充当了早期、难以研究的纤维形成阶段的近似。由于研究小组知道每个肽的球体的哪一端与纳米颗粒接触，因此确定了相反的一端负责与其他肽结合。

多肽是如何将纳米粒子粘在一起的?
TEM图像用于确定纳米颗粒之间的平均距离。使用数学程序分析了这种光谱数据来分析化学，导致蛋白质如何改变其构象的剧烈性质的有趣发现，因为它们被金颗粒夹在一起。

研究小组发现，相邻的金纳米粒子之间的平均距离比一个肽的长度短得多，这表明每个肽都被周围的肽弯曲并纠缠在一起。这种缠结被认为是多肽上电荷相互吸引和排斥的结果。

揭示肽表面上的细节电荷分布
该团队继续揭示每种肽类型的更多化学信息，通过找到一个关于相邻肽之间的距离(Sd)与肽对金纳米颗粒的“覆盖率”(Θ)的一般规则。在α β1-40或α-syn包被的纳米粒子，随着第一层相邻肽层之间距离的增加，强烈邀请第二层肽层的形成，从而实现更致密的堆积。据推测，这些肽的顶部和底部有一个轻微的正电荷或“尖刺”，而在它们的中部有一个轻微的负电荷。这些部分电荷是肽中特定氨基酸序列的结果。

这些实验为神经退行性疾病中肽毒性聚集的机制提供了经验证据。

这有助于想象，金纳米粒子的表面就像一个电子海洋，每个肽都是一个底部略带正电荷的“脉冲船”。当网络连接发生时，略带正电的“spike ship”会被纳米粒子(电子海)的负表面所吸引。当每个“钉船”之间的距离更大时，似乎就有更多的空间来放置“钉船”。这些额外的“穗船”对应于第二层肽层或接近网络的肽层，导致更大的密度。

然而，对于β2M涂覆的纳米颗粒的相反趋势 - 每个肽之间的更大距离实际上导致β2M肽的较低密度。这是因为β2m具有不同的电荷分布。其尖峰的相对较小的区域具有部分负电荷，而大多数区域具有局部阳性。与其他两种肽不同，发现该肽更倾向于像纺丝顶部一样旋转。

两个相邻多肽之间的距离越大，β2m旋转越多，倾斜角度越大。这就产生了更多的部分正电荷区域，由于正电荷和正电荷之间的排斥，阻碍了第二层肽层附着到纳米粒子上，从而导致了较低的密度。

应用和影响
Yokoyama的团队已经发现了证据表明，当它们与固体表面相互作用时，甚至不同的肽，甚至是不同肽的一般原则。在这项工作中测试的所有肽以与其他肽的方式最大化网络的方式定向为自己。这对于了解肽在纤维生殖中的相互作用并且可能有助于我们也有助于我们也很重要。

肽包被纳米粒子在生物传感器、疾病控制材料和细胞控制等方面有重要的应用。最重要的是，这些实验为神经退行性疾病中导致大脑中毒性肽聚集的机制提供了经验证据。

在SARS-CoV-2病毒特征的刺突蛋白(s蛋白)中，已经证实了“刺突”方向的高度交互作用。在细胞感染期间，当s蛋白与细胞受体结合时，会发生构象改变，引发病毒复制后的积液过程。这一过程涉及到本研究中观察到的类似化学反应，即在肽网络发生之前，在酸性条件下，一个突起的肽改变了构象。值得注意的是，这项研究中使用的方法可能很有助于理解COVID - 19蛋白如何攻击细胞，为如何预防病毒提供线索。