Molecular Basis of the Tau Aggregation Pathway

项目总结

PROJECT SUMMARY      Tau is a microtubule-­stabilizing protein that is abundant in neurons. It is a highly soluble, intrinsically disordered  protein (IDP) with little tendency for aggregation under native conditions. However, under several experimental  conditions and in a variety of neurodegenerative disorders including Alzheimer’s disease, Tau can spread from  cell  to  cell  and  aggregates  as  intra-­cellular  β-­sheet  fibrilar  deposits.  Our  laboratories  have  critical  new  data  concerning the temporal, structural and cell biological details of Tau misfolding and fluid-­phase assembly—the  basis  of  this  proposal.  Our  research  team  consists  of  a  cell  biologist,  a  physical  chemist,  and  a  theoretical  biophysicist. Working together closely in an iterative manner we intend to determine the pathway from normal  Tau to disease-­related Tau fibrils. The tools for this analysis include (a) cellular systems capable of addressing  in vivo Tau interactions, and indirectly its conformational state based on a variety of molecular probes;; (b) site-­ directed spin labeling, electron paramagnetic resonance (EPR) line shape analysis and pulsed dipolar EPR to  determine  conformational  signatures  of  Tau;;  and  (c)  fully  atomistic  modeling  of  IDP  conformations,  their  populations and energetics, and coarse-­grained simulation of higher-­order assemblies of Tau. The conceptual  flow of the proposal begins with a remarkable observation from the Han lab: When exposed to sub-­stoichiometric  amounts of heparin, segments of Tau dramatically extend by a nanometer to solvent-­expose the hydrophobic  PHF6(*)  segment  capable  of  stacking  into  neat  β-­sheets.  This  observation  correlates  with  the  appearance  of  fibrils, and thus we refer to this initiating step as “on pathway” seeding. In vivo, Tau is known to populate a vast  conformational landscape controlled by alternative splicing, mutations and post-­translational modifications. We  propose  that  the  IDP  Tau  populates  an  ensemble  of  different  conformations  with  different  aggregation  propensities,  fibril  morphologies  and  interaction  partners,  depending  on  the  exact  Tau  variant.  However,  the  defining  and  specific  conformational  signatures  within  this  ensemble  are  unknown.  Determining  the  conformational signatures of aggregation-­prone Tau variants is our core objective, while a missing puzzle piece  in connecting Tau conformation to cellular interactions is the existence and nature of aggregation intermediates.  In this vein, the Han lab discovered that RNA induces liquid-­liquid phase separation of Tau in vitro into protein  droplets held together by weak electrostatic forces. At the in vivo cellular level, the Kosik lab discovered Tau-­ tRNA complexes, thereby adding Tau to the growing list of RNA-­binding proteins involved in neurodegeneration,  and capable of establishing liquid-­liquid phase separation in the cytoplasm. The Tau-­tRNA complexes may be a  physiologic  or  pathological  entity—we  will  obtain  clues  by  determining  their  loci  in  neuronal  cells.  Finally,  we  intend to learn whether the conformation of Tau, as modulated by disease mutations or co-­factors, influences  the stability and in vivo locality of the Tau-­tRNA complexes. Our goal is to discover a detailed route from soluble  Tau to fibrils, from the nanometer to the cellular level, and discover the pathological entities of Tau aggregation.