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Jun 01, 2023

TDP

Nature (2023)Diesen Artikel zitieren 3754 Zugriffe auf 55 Altmetric Metrics-Details Die abnormale Anordnung des TAR-DNA-bindenden Proteins 43 (TDP-43) in neuronalen und Gliazellen charakterisiert fast alle Fälle von

Natur (2023)Diesen Artikel zitieren

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Die abnormale Anordnung des TAR-DNA-bindenden Proteins 43 (TDP-43) in Neuronen- und Gliazellen charakterisiert fast alle Fälle von Amyotropher Lateralsklerose (ALS) und etwa die Hälfte der Fälle von frontotemporaler Lappendegeneration (FTLD)1,2. Eine kausale Rolle des TDP-43-Zusammenbaus bei der Neurodegeneration wird durch dominant vererbte Missense-Mutationen in TARDBP, dem für TDP-43 kodierenden Gen, nachgewiesen, die den Zusammenbau fördern und zu ALS und FTLD führen3,4,5,6,7. Mindestens vier Typen (A–D) von FTLD mit TDP-43-Pathologie (FTLD-TDP) werden durch unterschiedliche Gehirnverteilungen von zusammengesetztem TDP-43 definiert und sind mit unterschiedlichen klinischen Erscheinungsformen der frontotemporalen Demenz verbunden8. Wir haben zuvor mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie gezeigt, dass sich TDP-43 bei ALS und Typ-B-FTLD-TDP9 zu Amyloidfilamenten zusammenfügt. Die Strukturen des zusammengebauten TDP-43 in FTLD ohne ALS blieben jedoch unbekannt. Hier berichten wir über die Kryo-Elektronenmikroskopie-Strukturen von zusammengebautem TDP-43 aus den Gehirnen von drei Individuen mit dem häufigsten Typ von FTLD-TDP, Typ A. TDP-43 bildete Amyloidfilamente mit einer neuen Faltung, die bei allen Individuen gleich war. Dies weist darauf hin, dass diese Falte FTLD-TDP vom Typ A charakterisieren könnte. Die Falte ähnelt einem Chevron-Abzeichen und unterscheidet sich von der doppelspiralförmigen Falte von ALS und Typ B FTLD-TDP, was belegt, dass unterschiedliche Filamentfalten von TDP-43 verschiedene neurodegenerative Erkrankungen charakterisieren. Die Strukturen führten in Kombination mit Massenspektrometrie zur Identifizierung von zwei neuen posttranslationalen Modifikationen des zusammengesetzten TDP-43, der Citrullinierung und der Monomethylierung von R293, und weisen darauf hin, dass sie die Filamentbildung und die beobachtete strukturelle Variation in einzelnen Filamenten erleichtern könnten. Die Strukturen von TDP-43-Filamenten aus FTLD-TDP vom Typ A werden mechanistische Studien des TDP-43-Zusammenbaus sowie die Entwicklung diagnostischer und therapeutischer Verbindungen für TDP-43-Proteinopathien leiten.

Das TAR-DNA-bindende Protein 43 (TDP-43) ist ein allgegenwärtig exprimiertes RNA-bindendes Protein mit vielfältigen Rollen bei der RNA-Verarbeitung. Es befindet sich hauptsächlich in nuklearen Ribonukleoprotein-Körnchen, unterliegt aber auch einem nukleozytoplasmatischen Transport, um an zytoplasmatischen Ribonukleoprotein-Körnchen teilzunehmen10. Der aminoterminale Teil von TDP-43 umfasst eine DIX-Domäne (zerzaust und Axin), ein Kernlokalisierungssignal und Tandem-RNA-Erkennungsmotive (RRMs). Der carboxyterminale Teil umfasst eine intrinsisch ungeordnete Domäne mit geringer Komplexität (LCD), die Regionen enthält, die mit Glycin, hydrophoben Resten sowie Glutamin und Asparagin (Q/N) angereichert sind. Die DIX-Domäne, RRMs und LCD tragen alle zur Assoziation von TDP-43 mit Ribonukleoprotein-Granula und RNA bei10,11.

Bei einer Erkrankung versammeln sich TDP-43 in voller Länge und abnormal verkürzte C-terminale Fragmente (CTFs) und werden ubiquityliert und phosphoryliert1,2. Die Anordnungen haben granulofilamentöse Morphologien mit Durchmessern von 10–15 nm (Ref. 9,12,13,14,15,16,17,18,19). Sie binden den amyloidophilen Farbstoff Thioflavin-S schlecht20. Kryoelektronenmikroskopische (Kryo-EM) Strukturen von zusammengesetztem TDP-43 aus dem präfrontalen und motorischen Kortex von zwei Personen mit amyotropher Lateralsklerose (ALS) und frontotemporaler Lappendegeneration vom Typ B mit TDP-43-Pathologie (FTLD-TDP) haben Amyloid gezeigt Filamente mit identischer doppelspiralförmiger Falte (Doppelspiralfalte)9. Der geordnete Kern dieser Filamente wird durch die N-terminale Hälfte des LCD (G282–Q360) gebildet, wobei die flankierenden Bereiche eine flauschige Schicht bilden.

Die Strukturen des zusammengesetzten TDP-43 bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen waren unbekannt. Eine kürzlich durchgeführte Kryo-EM-Studie mit vier Personen mit FTLD-TDP-Typen A–D in Abwesenheit von ALS fand keine Amyloidfilamente von TDP-43 und berichtete, dass stattdessen Filamente des Transmembranproteins 106B (TMEM106B) FTLD-TDP charakterisieren21. Andere Studien haben jedoch gezeigt, dass sich TMEM106B-Filamente bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen, einschließlich Tauopathien und Synukleinopathien, sowie bei neurologisch normalen Personen altersabhängig im menschlichen Gehirn ansammeln22,23,24,25.

Hier verwenden wir Kryo-EM, um die Strukturen von zusammengesetztem TDP-43 aus den Gehirnen von Personen mit dem häufigsten FTLD-TDP-Typ, Typ A, zu bestimmen. Wir zeigen, dass TDP-43 tatsächlich Amyloidfilamente bildet, die vorhanden sind zusätzlich zu TMEM106B-Filamenten. Die Strukturen zeigen, dass TDP-43 im Gegensatz zu TMEM106B bei verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen unterschiedliche Amyloidfilamentfalten bildet, und beschreiben detailliert deren strukturelle Grundlage.

Wir extrahierten zusammengebautes TDP-43 aus dem präfrontalen Kortex von Personen mit FTLD-TDP vom Typ A (erweiterte Datentabelle 1) und verwendeten dabei die Methode, die wir für ALS mit FTLD-TDP9 vom Typ B entwickelt hatten. Vier Personen trugen Mutationen im GRN, die mit Typ A FTLD-TDP8,26,27 assoziiert waren, während eine Person Wildtyp-GRN aufwies. Alle Individuen wiesen zahlreiche kompakte neuronale zytoplasmatische Einschlüsse, kurze dystrophische Neuriten und seltene neuronale intranukleäre Einschlüsse von zusammengesetztem TDP-43 auf, das in der zweiten und dritten kortikalen Schicht konzentriert war, was auf FTLD-TDP8 vom Typ A hinweist (Erweiterte Daten, Abb. 1a, b). Immunoblotting der Extrakte zeigte, dass die Anordnungen sowohl aus TDP-43 als auch aus CTFs voller Länge bestanden und bei S409 und S410 phosphoryliert waren, wie zuvor beobachtet1,2 (Extended Data Abb. 1c).

Wir verwendeten Kryo-EM, um die Extrakte aus dem präfrontalen Kortex von zwei der Personen mit GRN-Mutationen und der Person mit Wildtyp-GRN abzubilden (Erweiterte Daten, Abb. 1d). Dies ergab eine Population gerader, unverzweigter Filamente mit körniger Oberfläche und projizierten Breiten von etwa 10–15 nm, was mit früheren Berichten über TDP-43-Filamente in situ im Gehirn von Personen mit FTLD-TDP13,15 sowie im Gehirn übereinstimmt Auszüge9,17,18,19. Die TDP-43-Identität der Filamente wurde mittels Immungold-Negativfärbungs-Elektronenmikroskopie bestätigt (Extended Data Abb. 1e).

Wir haben die Strukturen der geordneten Kerne der TDP-43-Filamente für jedes der drei Individuen unabhängig voneinander mithilfe einer spiralförmigen Rekonstruktion der Kryo-EM-Bilder mit Auflösungen von bis zu 2,4 Å bestimmt (Abb. 1a, erweiterte Daten Abb. 2a–c). und erweiterte Datentabelle 2). Die Filamente bestanden aus einem einzelnen Amyloid-Protofilament aus gestapelten TDP-43-Molekülen. Die Rekonstruktionen ergaben eine neue TDP-43-Filamentfalte, die unabhängig von der genetischen Variation im GRN bei allen Individuen identisch war. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese TDP-43-Amyloidfilamentfalte FTLD-TDP vom Typ A charakterisieren könnte.

a: Kryo-EM-Karten von TDP-43-Filamenten aus dem präfrontalen Kortex von drei Personen mit FTLD-TDP vom Typ A, dargestellt als zentrale Schnitte senkrecht zur Helixachse. GRN weist auf Personen mit Mutationen im GRN hin, die mit Typ A FTLD-TDP assoziiert sind. Maßstabsbalken, 25 Å. b, Schematische Darstellung der Domänenorganisation von TDP-43. Krankheitsassoziierte Phosphorylierungsstellen werden angezeigt. Die schwarze Linie zeigt den Bereich an, der die geordnete Filamentfalte bildet. NLS, Kernlokalisierungssignal. c, Aminosäuresequenzausrichtung der Sekundärstrukturelemente der Filamentfalte. Pfeile zeigen β-Stränge an. d, Kryo-EM-Karte bei hohen (grau) und niedrigen (gelb) Konturebenen und Atommodell, dargestellt für ein einzelnes TDP-43-Molekül senkrecht zur Helixachse. Die fünf Schichten der Filamentfalte sind beschriftet. Angezeigt sind eine weniger gut aufgelöste proteinähnliche Dichte, die sich von R272 erstreckt (schwarzer Pfeil), eine isolierte peptidähnliche Dichte neben G351–N355 (gelber Pfeil) und nicht-proteinähnliche Dichten in Hohlräumen zwischen den Schichten 1 bis 3 (rote Pfeile). . In c und d sind die glycinreichen (G274–G310, Magenta), hydrophoben (M311–S342, weiß) und Q/N-reichen (Q343–Q360, grün) Regionen hervorgehoben.

In den Kryo-EM-Bildern für jedes Individuum wurden auch einzelne und doppelte TMEM106B-Filamente beobachtet, und zwar aufgrund ihrer charakteristischen projizierten Breite von 12 bzw. 26 nm, ihrer stumpfen Enden und ihrer fehlenden Oberflächenkörnigkeit (Erweiterte Daten, Abb. 3a). , wie bereits in FTLD-TDP21,22,23 berichtet. Das Vorhandensein von TMEM106B wurde mittels Massenspektrometrie bestätigt, bei der Peptide identifiziert wurden, die auf die C-terminale Region abgebildet sind, die den geordneten Kern der Filamente bildet 21, 22, 23 (Erweiterte Daten, Abb. 3b und Ergänzungstabelle 1).

Das Vorhandensein sowohl von TDP-43-Filamenten als auch von TMEM106B-Filamenten in FTLD-TDP vom Typ A sowie in ALS mit FTLD-TDP vom Typ B9,22 steht im Widerspruch zu einem aktuellen Bericht über Amyloidfilamente in FTLD-TDP, die aus TMEM106B bestehen aber nicht TDP-43 (Lit. 21). Unterschiede in den Gehirnextraktionsprotokollen können für diese Diskrepanz verantwortlich sein. Nach der Zentrifugation bei 27.000 g fanden wir TDP-43-Filamente im Überstand, während in der anderen Studie das Pellet nach der Zentrifugation bei 21.000 g untersucht wurde. TMEM106B-Filamente wurden auch im Gehirn von Personen mit Tauopathien und α-Synucleinopathien sowie im Gehirn neurologisch normaler Personen beobachtet22,23,24,25. TMEM106B-Einschlüsse kolokalisieren nicht mit Einschlüssen von TDP-43, Tau oder α-Synuclein28. Im Gegensatz zu diesen Proteinen gibt es keine klaren Zusammenhänge zwischen verschiedenen TMEM106B-Filamentfalten und Erkrankungen. Die verfügbaren Beweise stimmen mit der altersabhängigen Anhäufung von TMEM106B-Filamenten im menschlichen Gehirn22,28 überein, die durch den TMEM106B-Haplotyp29 verändert werden können.

Unsere Kryo-EM-Rekonstruktionen hatten eine ausreichende Auflösung, um Peptidgruppen und geordnete Lösungsmittel sichtbar zu machen, was es uns ermöglichte, ein genaues Atommodell der TDP-43-Filamentfalte zu erstellen und ihre rechtshändige helikale Drehung zu ermitteln (Abb. 1b–d und erweiterte Datenabbildungen). . 2d,e und 4a,b). Die Falte besteht aus fünf verbundenen Schichten, die im LCD durch R272–Q360 gebildet werden. Die ersten beiden Schichten werden durch die glycinreiche Region (G274–G310) gebildet, die hydrophobe Region (M311–S342) trägt die dritte und vierte Schicht bei und die Q/N-reiche Region (Q343–Q360) bildet die fünfte Schicht (Erweiterte Daten Abb. 4c,d).

Die Falte ist um einen geknickten β-Strang mit 11 Resten zentriert, der von A321–Q331 in der vierten Schicht gebildet wird, der mit β-Strängen in der benachbarten dritten und fünften Schicht sterische Reißverschlüsse bildet und eine Anordnung verleiht, die einem Chevron mit drei Balken ähnelt Abzeichen (Extended Data Abb. 4e). Aufgrund dieser Ähnlichkeit bezeichnen wir die Falte im Folgenden als Chevron-Faltung. Die erste und zweite Schicht enthalten nur kurze β-Stränge mit 2 bis 3 Resten, die nicht an der Reißverschlusspackung beteiligt sind. Zusätzlich zur Wasserstoffbindung innerhalb intermolekularer β-Faltblätter werden die Filamente durch Wasserstoffbrückenbindungsleitern stabilisiert, die durch Glutamin- und Asparagin-Seitenketten und durch gestaffelte Stapelwechselwirkungen zwischen aromatischen Resten gebildet werden. Die Schichten verbinden sich durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen reichlich vorhandenen neutralen polaren Resten und Glycin (Erweiterte Daten, Abb. 4f). Die zweite und dritte Schicht interagieren auch über eine Ansammlung hydrophober Reste zwischen A297 und F316 (Extended Data Abb. 4g). Drei Argininreste am N-Terminus bilden die einzigen geladenen Reste in der Falte. Zwei davon, R272 und R275, befinden sich in der lösungsmittelexponierten ersten Schicht. Der dritte, R293, befindet sich an einer ungewöhnlichen vergrabenen Position innerhalb einer kompakten Schleife, die die erste und zweite Schicht verbindet.

Die weniger geordnete Proteindichte erstreckt sich vom N-terminalen Rest R272 und bedeckt einen hydrophoben Fleck, der von W334–A341 in der Kurve gebildet wird, die die vierte und fünfte Schicht verbindet (Abb. 1c, d). Diese Dichte könnte etwa 17 Reste (V255–E271) aufnehmen, darunter β5 des zweiten TDP-43-RRM. Daher bilden Reste N-terminal zu V255 und C-terminal zu Q360 die flauschige Hülle der Filamente. Das Vorhandensein von CTFs, denen V255–E271 ganz oder teilweise in den Filamenten fehlt, könnte erklären, warum diese zusätzliche Proteindichte weniger geordnet war30. Ihre Anwesenheit würde zur Freilegung des hydrophoben Flecks (W334–A341) führen. Es wird angenommen, dass hydrophobe Oberflächenflecken auf Amyloidfilamenten an abweichenden Wechselwirkungen beteiligt sind31.

Eine weitere peptidähnliche Dichte befindet sich auf der Außenfläche der fünften Schicht neben G351–N355 (Abb. 1a, d). Seine unzusammenhängende Natur schloss eine Sequenzzuordnung aus. Es kann von den N-terminalen oder C-terminalen flankierenden Regionen oder von einem separaten interagierenden Protein stammen. Es wurde zuvor gezeigt, dass getrennte Peptide mit α-Synucleinfilamenten assoziieren32. Wir beobachteten auch nicht-proteinhaltige Dichten in Hohlräumen zwischen der ersten, zweiten und dritten Schicht (Abb. 1d). Im Gegensatz zu den Proteindichten schienen sie entlang der Helixachse teilweise zusammenhängend zu sein (Extended Data Abb. 4h), möglicherweise weil sie nicht der gleichen Helixsymmetrie wie TDP-43 folgen. Vergrabene nicht-proteinische Dichten wurden auch in Tau- und α-Synuclein-Filamenten aus dem menschlichen Gehirn beobachtet und könnten Cofaktoren für die Filamentbildung darstellen33,34.

Die dreidimensionale (3D) Klassifizierung der Kryo-EM-Filamentsegmente des Individuums mit dem größten Datensatz ergab alternative Konformationen der N-terminalen Region R272–G295 und der Kurve G335–Q343, die die vierte und fünfte Schicht verbindet (Abb. 2a). –c und erweiterte Daten Abb. 5a–d). Weniger als 5 % der Filamentsegmente trugen zu Klassen mit diesen alternativen Konformationen bei, was zeigt, dass sie selten waren (erweiterte Datentabelle 2). In den Bereichen der Reißverschlusspackung zwischen β-Strängen wurde keine Variation beobachtet. Für das zweite Individuum wurde die alternative Konformation der N-terminalen Region, jedoch nicht der die vierte und fünfte Schicht verbindenden Schleife beobachtet, und für das dritte Individuum wurden keine alternativen Konformationen beobachtet, was mit den kleineren Größen ihrer Datensätze übereinstimmt (Erweitert). Datentabelle 2).

a, Überlagerung von Atommodellen von TDP-43-Filamenten aus FTLD-TDP vom Typ A mit unterschiedlichen lokalen Konformationen der N-terminalen Region und der Windung, die die vierte Schicht mit der fünften verbindet (L4–L5). b,c, Kryo-EM-Karten und Atommodelle mit unterschiedlichen lokalen Konformationen der N-terminalen Region (b) und der Windung, die die vierte Schicht mit der fünften Schicht verbindet (L4–L5) (c), dargestellt für ein einzelnes TDP -43-Molekül senkrecht zur Helixachse. d, Beispielmikroskopaufnahme, die die Positionen von Filamentsegmenten zeigt, die zu Kryo-EM-Karten mit unterschiedlichen lokalen Konformationen beitragen, die in einzelnen Filamenten auftreten. Maßstabsbalken, 50 nm. Weitere Beispiele sind in Extended Data Abb. 6 dargestellt. In a–d ist die Hauptkonformation in Cyan, die alternative lokale Konformation der N-terminalen Region in Magenta und die alternative lokale Konformation der N-terminalen Region dargestellt Drehen Sie die vierte Schicht mit der fünften in Gelb.

Wir haben die Strukturen von Filamentsegmenten mit den alternativen Konformationen mit Auflösungen von bis zu 2,5 Å bestimmt (Abb. 2a und erweiterte Daten Abb. 5). In der alternativen Konformation der N-terminalen Region folgen die Reste G281–G295 ungefähr dem gleichen Weg wie die Reste R272–P280 in der Hauptkonformation, wodurch R293 auf der Filamentoberfläche freigelegt wird, und die Reste R272–P280 befinden sich in der flauschigen Schicht (Abb. 2b). In der alternativen Konformation der Schleife, die die vierte und fünfte Schicht verbindet, wechseln mehrere Reste ihre Innen-Außen-Positionen, wobei M336, A341 und Q343 vergraben werden, während M339 und S342 an der Oberfläche freigelegt werden (Abb. 2c).

Die Kartierung der Filamentsegmentpositionen in den Mikroaufnahmen ergab, dass TDP-43-Moleküle mit unterschiedlichen lokalen Strukturvariationen in einzelnen Filamenten koexistieren könnten (Abb. 2d und erweiterte Daten Abb. 6). Segmente derselben Variantenstrukturen, die zu Blöcken variabler Länge gruppiert sind, ohne erkennbare Richtungsabhängigkeit in ihrer Anordnung. Lokale strukturelle Variationen an Kehrenregionen wurden auch in einzelnen Filamenten des Amyloid-Leichtkettenproteins beobachtet35. Diese Ergebnisse zeigen, dass Amyloidfilamente nicht immer einheitliche, sich wiederholende Strukturen annehmen. Die strukturelle Variabilität der TDP-43-Amyloidfilamente könnte daher Auswirkungen auf die Entwicklung diagnostischer und therapeutischer Verbindungen haben.

Die Seitenkette von R293 ist vollständig in der Hauptkonformation der Chevron-Faltung vergraben und ihre positive Ladung wird nur teilweise durch Wasserstoffbrückenbindungen zu den umgebenden Peptidgruppen kompensiert (Abb. 3a). Es wird erwartet, dass die Gesamtwirkung dieser vergrabenen Ladung destabilisierend sein wird. Wir schlugen die Hypothese vor, dass das Vergraben dieses Rests durch die posttranslationale Modifikation Citrullinierung (Deiminierung) erleichtert wurde, bei der die geladene Guanidiniumgruppe von Arginin hydrolysiert wird, was eine neutrale Ureidogruppe ergibt (Abb. 3b). Die Analyse von Filamenten aus den Gehirnen von Personen mit FTLD-TDP vom Typ A mittels Massenspektrometrie ergab das Vorhandensein von TDP-43-Molekülen, die bei R293 citrulliniert waren (Extended Data Abb. 7). Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Citrullinierung die Bildung von TDP-43-Filamenten in FTLD-TDP vom Typ A erleichtern kann, indem die Ladung von R293 entfernt wird.

a–c, Kryo-EM-Karten und Atommodelle von TDP-43-Filamenten aus FTLD-TDP vom Typ A um R293 mit der Hauptkonformation der N-terminalen Region und unmodifiziertem R293 (a), der Hauptkonformation der N-terminalen Region und citrulliniertes R293 (CitR293) (b) und die alternative Konformation der N-terminalen Region und monomethyliertes R293 (MetR293) (c). Die Karten und Modelle werden für ein einzelnes TDP-43-Molekül senkrecht zur Helixachse gezeigt. Wasserstoffbrückenbindungen zu den Seitenketten von unmodifiziertem und modifiziertem R293 sind als gestrichelte magentafarbene Linien dargestellt.

Unsere massenspektrometrische Analyse ergab außerdem, dass R293 in einigen TDP-43-Molekülen monomethyliert war (Extended Data Abb. 8). Auch unter physiologischen Bedingungen wurde bereits zuvor eine Monomethylierung von R293 beobachtet36. Methyl-R293 ist aufgrund sterischer Konflikte nicht mit der Hauptkonformation der Filamentfalte kompatibel und kann nur in der alternativen Konformation der N-terminalen Region untergebracht werden, wo seine Seitenkette freiliegt (Abb. 3c). Da diese alternative Konformation selten vorkommt, kann R293 nur in einer Minderheit der TDP-43-Moleküle methyliert werden. Es wurde berichtet, dass die Monomethylierung von R293 die TDP-43-Assemblierung in vitro verringert37.

Arginin 293 befindet sich im einzigen RGG/RG-Motiv des TDP-43 LCD. RGG/RG-Motive nehmen an funktionellen Wechselwirkungen von RNA-bindenden Proteinen teil und werden durch Arginin-Citrullinierung und -Methylierung reguliert38. Peptidyl-Arginin-Deiminase 4 (PAD4) kann Argininreste in RGG-Motiven citrullinieren39, und mehrere Peptidyl-Arginin-Methyltransferasen können auf dieses Motiv abzielen38. Bei mehreren neurodegenerativen Erkrankungen wurde eine erhöhte PAD-Aktivität und Proteincitrullinierung beobachtet40. Mögliche Rollen für die Citrullinierung und Methylierung von TDP-43 an R293 bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen sowie bei gesunden Personen müssen noch ermittelt werden. Zusammengenommen deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass posttranslationale Modifikationen von R293 die lokale Strukturvariation von TDP-43-Filamenten vom Typ A FTLD-TDP beeinflussen können, indem sie die Ladung und Größe des Rests verändern.

Die Chevron-Falte von FTLD-TDP vom Typ A unterscheidet sich von der Doppelspiralfalte von ALS mit FTLD-TDP vom Typ B, was zeigt, dass unterschiedliche Amyloidfilamentfalten von TDP-43 verschiedene neurodegenerative Erkrankungen charakterisieren (Abb. 4). Dies stützt die umfassendere Annahme, dass unterschiedliche Amyloidfilamentfalten spezifischer Proteine ​​neurodegenerativen Erkrankungen zugrunde liegen32,41.

a, Aminosäuresequenz-Alignment der Sekundärstrukturelemente der TDP-43-Filamentfalten von Typ A FTLD-TDP und von ALS und Typ B FTLD-TDP (PDB 7PY2). Die N-terminale Verkürzungsstelle bei P280 ist durch ein Scherensymbol gekennzeichnet. R293 ist durch einen blauen Punkt gekennzeichnet. b, Schematische Darstellung der Sekundärstrukturelemente der Filamentfalten, dargestellt für ein einzelnes TDP-43-Molekül senkrecht zur Helixachse. Alternative lokale Konformationen der FTLD-TDP-Filamentfalte vom Typ A sind transparent und R293 ist hervorgehoben. In a und b zeigen Pfeile β-Stränge an. Die glycinreichen (G274–G310, Magenta), hydrophoben (M311–S342, weiß) und Q/N-reichen (Q343–Q360, grün) Regionen sind hervorgehoben.

Die Chevron-Falte von FTLD-TDP vom Typ A wird durch denselben Teil des TDP-43-LCD gebildet wie die Doppelspiralfalte von ALS und FTLD-TDP vom Typ B, plus zehn weitere Reste am N-Terminus (R272–G281). Diese weiteren Reste können für das Vorhandensein unterschiedlicher CTFs in FTLD-TDP vom Typ A im Vergleich zu ALS und FTLD-TDP vom Typ B42 verantwortlich sein. Ein zelluläres Modell der TDP-43-Assemblierung deutete darauf hin, dass es nach der Filamentbildung zu einer N-terminalen Verkürzung kommen kann17. Ein CTF beginnend bei P280 wurde in ALS30 gefunden, konnte jedoch nicht aus der Hauptkonformation der FTLD-TDP-Filamentfalte vom Typ A erzeugt werden.

Die Reste A321–Q331 im hydrophoben Bereich bilden den Nexus beider Filamentfalten. Diese Reste sind konserviert und können kooperative α-Helices und intermolekulare β-Faltblätter von funktioneller Bedeutung bilden43,44. Unterschiede zwischen den beiden Filamentfalten ergeben sich aus unterschiedlichen strukturellen Organisationen der hydrophoben Region. In der Doppelspiralfalte bildet dieser Bereich zwei kompakte hydrophobe Cluster, während er in der Chevronfalte aufgrund seiner ausgedehnteren β-Struktur eine ausgedehnte Konformation annimmt, die durch Reißverschlusspackung mit β-Strängen der glycinreichen und stabilisierten Struktur stabilisiert wird Q/N-reiche Regionen.

Wie bei der Doppelspiralfalte bestehen die Oberflächen der Chevron-Falte aus den glycinreichen und Q/N-reichen Regionen von TDP-43 und weisen keine geladenen Rillen auf (Extended Data Abb. 4i), was möglicherweise für die schlechte Bindung verantwortlich ist von Amyloid-Bildgebungsliganden20,45. Die Q/N-reiche Region hat eine ausgedehnte Konformation und eine ähnliche Sekundärstruktur in beiden Falten, aber die Innen-Außen-Ausrichtung ihrer Seitenketten ist umgekehrt. Dazu gehören S347 und S350, die in der Doppelspiralfalte vergraben sind, in der Chevronfalte jedoch Lösungsmittel freilegen. Kürzlich wurde die Phosphorylierung von S350 im zusammengesetzten TDP-43 einer Person mit FTLD-TDP vom Typ A festgestellt, nicht jedoch bei Personen mit ALS und FTLD-TDP vom Typ B18. Es bleibt zu bestimmen, ob die Phosphorylierung vor oder nach der Filamentbildung erfolgt.

Vierundzwanzig krankheitsassoziierte TARDBP-Mutationen befinden sich in der Region, die die Filamentfalten von Typ A FTLD-TDP und ALS mit Typ B FTLD-TDP bildet. Die meisten dieser Mutationen sind mit mindestens einer der Filamentfalten kompatibel, wohingegen vier Mutationen mit beiden Falten nicht kompatibel sind (Ergänzungsdatentabelle 2). Angesichts der beobachteten strukturellen Variation der FTLD-TDP-Filamentfalte vom Typ A schließen wir die Möglichkeit nicht aus, dass diese Mutationen in diesen Falten durch andere alternative lokale Konformationen aufgenommen werden könnten. Es ist auch möglich, dass Personen mit diesen Mutationen unterschiedliche Filamentfalten aufweisen.

Die Unterschiede zwischen den beiden Filamentfalten können für die unterschiedlichen Aussaatfähigkeiten und Toxizitäten von zusammengesetztem TDP-43 aus FTLD-TDP vom Typ A und dem von ALS und FTLD-TDP vom Typ B in Zell- und Tiermodellen verantwortlich sein17,46,47,48. Dies könnte den unterschiedlichen Pathologien der verschiedenen Arten von FTLD-TDP zugrunde liegen. Die verschiedenen Arten von FTLD-TDP unterscheiden sich durch die Verteilung des zusammengebauten TDP-43 im Gehirn (Lit. 8), was darauf hindeutet, dass die lokale Umgebung die TDP-43-Filamentfalten beeinflussen kann. Die Erzeugung krankheitsassoziierter Filamentfalten in Modellsystemen wird der Schlüssel zur Überprüfung dieser Hypothesen sein. Bisher haben in vitro zusammengesetzte TDP-43-Filamente keine Strukturen aus dem Gehirn rekapituliert49,50,51.

Hier haben wir festgestellt, dass TDP-43 bei FTLD-TDP vom Typ A Amyloidfilamente bildet, wie dies auch bei ALS mit FTLD-TDP9 vom Typ B der Fall ist. Die Chevron-Falte von FTLD-TDP vom Typ A unterscheidet sich von der Doppelspiralfalte von ALS und FTLD-TDP vom Typ B, was zeigt, dass unterschiedliche TDP-43-Amyloidfilamentfalten unterschiedliche neurodegenerative Erkrankungen charakterisieren. Die Strukturen weisen auf eine Rolle posttranslationaler Modifikationen von Arginin bei der Filamentbildung und bei der strukturellen Variation in einzelnen Filamenten hin. Diese Arbeit wird mechanistische Studien des TDP-43-Zusammenbaus sowie die Entwicklung diagnostischer und therapeutischer Verbindungen, die auf den Zusammenbau von TDP-43 abzielen, leiten.

Menschliche Gewebeproben stammten aus der Brain Library des Dementia Laboratory der Indiana University School of Medicine (Personen 2, 4 und 5) und der Manchester Brain Bank (Personen 1 und 3). Ihre Verwendung in dieser Studie wurde durch die ethischen Überprüfungsprozesse jeder Institution genehmigt. Die Einverständniserklärung der nächsten Angehörigen der Patienten wurde eingeholt. Die Personen wurden auf der Grundlage einer neuropathologischen Diagnose von Typ A FTLD-TDP gemäß den in Lit. dargelegten Kriterien ausgewählt. 8, sowie ein Mangel an komorbider neurodegenerativer Erkrankung-assoziierter Neuropathologie. Person 2 wurde bereits in Referenz als Patient 3 beschrieben. 52. Alle Personen hatten reichlich kompakte neuronale zytoplasmatische Einschlüsse, kurze dystrophische Neuriten und seltene neuronale intranukleäre Einschlüsse, die in den kortikalen Schichten zwei und drei konzentriert waren und mithilfe von Antikörpern gegen den N-Terminus von TDP-43 und an S409 und S410 phosphoryliertem TDP-43 nachgewiesen wurden. Alle Personen erhielten die klinische Diagnose einer frontotemporalen Demenz. Die klinischen Symptome der Personen 1, 2, 4 und 5 stimmten mit einer primär progressiven Aphasie der nicht fließenden Variante überein, während Person 3 klinische Symptome aufwies, die mit einer verhaltensvarianten frontotemporalen Demenz übereinstimmten. Es wurde bereits früher festgestellt, dass diese klinischen Erscheinungen mit Typ A FTLD-TDP8 in Zusammenhang stehen. Individuum 3 hatte Wildtyp-GRN, während die übrigen vier Individuen Mutationen im GRN aufwiesen, die mit Typ-A-FTLD-TDP assoziiert waren. Alle Personen hatten normale C9orf72-Hexanukleotid-Wiederholungszahlen. Weitere klinisch-pathologische Details sind in der erweiterten Datentabelle 1 aufgeführt.

Bei der Zielanreicherung für die Sequenzierung des gesamten Exoms wurde die humane All-Exon-Bibliothek SureSelectTX (V6, 58 Megabasenpaare; Agilent) verwendet, und die Hochdurchsatzsequenzierung wurde mit einem HiSeq 4000 (sx75-Basenpaar-Paired-End-Konfiguration; Illumina) durchgeführt. . Um nach Hexanukleotid-Wiederholungsexpansionen im C9orf72-Gen zu suchen, führten wir eine wiederholt vorbereitete PCR durch, gefolgt von Fragmentlängenanalysen, wie zuvor beschrieben53. Oligonukleotide, die zur Amplifikation der kodierenden Exons und der entsprechenden flankierenden intronischen Regionen des GRN-Gens entwickelt wurden, wurden für die PCR unter Verwendung von 50 ng genomischer DNA verwendet, die aus Hirngewebe extrahiert wurde. Die amplifizierten Produkte wurden gereinigt und wie zuvor beschrieben54 einer direkten Didesoxysequenzierung unterzogen.

Zusammengesetztes TDP-43 wurde wie zuvor beschrieben aus dem schockgefrorenen präfrontalen Kortex extrahiert9. Graue Substanz wurde aus schockgefrorenem präfrontalem Kortex präpariert und unter Verwendung eines Polytron (Kinematica) in 40 Volumina (v/w) Extraktionspuffer, der 10 mM Tris-HCl pH 7,5, 0,8 M NaCl, 10 % Saccharose und 1 mM EGTA enthielt, homogenisiert. Den Homogenaten wurde eine 25 %ige Lösung von Sarkosyl in Wasser zugesetzt, um eine Endkonzentration von 2 % Sarkosyl zu erreichen. Die Homogenate wurden dann 1 Stunde lang bei 37 °C unter Orbitalschütteln bei 200 U/min inkubiert, gefolgt von einer 10-minütigen Zentrifugation bei 27.000 g. Die Überstände wurden aufbewahrt und 20 Minuten lang bei 166.000 g zentrifugiert. Die Pellets wurden in 6 ml g-1 Gewebe Extraktionspuffer mit 1 % Sarkosyl durch Ultraschallbehandlung für 5 Minuten bei 50 % Amplitude (Qsonica Q700) resuspendiert, dann mit dem gleichen Puffer vierfach verdünnt und 30 Minuten bei 37 °C unter Orbitalschütteln inkubiert bei 200 U/min. Die Proben wurden dann 5 Minuten lang bei 17.000 g zentrifugiert, und die Überstände wurden aufbewahrt und 20 Minuten lang bei 166.000 g zentrifugiert. Die Pellets wurden in 1 ml g-1 Gewebe Extraktionspuffer, der 1 % Sarkosyl enthielt, durch einstündige Inkubation bei 37 °C unter Orbitalschütteln bei 200 U/min resuspendiert. Die Proben wurden 20 Minuten lang bei 100.000 g zentrifugiert und die Pellets wurden in 30 μl g-1 Gewebe mit 20 mM Tris-HCl, pH 7,4, 150 mM NaCl durch 5-minütige Ultraschallbehandlung bei 50 % Amplitude (Qsonica Q700) resuspendiert. Für jede Kryo-EM-Probe wurden ein bis zwei Gramm Gewebe verwendet. Alle Zentrifugationsschritte wurden bei 25 °C durchgeführt.

Für die Histologie wurden Gehirnhälften mit 10 % gepuffertem Formalin fixiert und in Paraffin eingebettet. Entparaffinierte Schnitte (8 μm dick) wurden 10 Minuten lang in 10 mM Natriumcitratpuffer bei 105 °C inkubiert und 5 Minuten lang mit 95 % Ameisensäure behandelt. Nach dem Waschen wurden die Schnitte mit 10 % fötalem Kälberserum in phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) blockiert und dann über Nacht mit primären Antikörpern gegen den TDP-43-N-Terminus (Abcam ab57105, 1:10.000 oder Proteintech 10782-2-AP, 1:2.000) und pS409/410 TDP-43 (CosmoBio CAC-TIP-PTD-M01, 1:1.000) in PBS mit 10 % fötalem Kälberserum. Nach 2-stündiger Inkubation der Schnitte mit biotinylierten Sekundärantikörpern wurde die Markierung mit einem ABC-Färbekit (Vector) mit DAB nachgewiesen. Die Schnitte wurden mit Hämatoxylin gegengefärbt.

Für das Immunblotting wurden Sarkosyl-lösliche und Sarkosyl-unlösliche Gehirnextrakte unter Verwendung von 12 % oder 4–12 % BIS-Tris-Gelen (Novex) bei 200 V für 45 Minuten aufgetrennt und auf Nitrozellulosemembranen übertragen. Die Membranen wurden in PBS mit 1 % Rinderserumalbumin und 0,2 % Tween 30 Minuten lang bei 21 °C blockiert und mit einem primären Antikörper gegen pS409/410 TDP-43 (CosmoBio CAC-TIP-PTD-M01, 1:3.000) bei inkubiert 1 Stunde bei 21 °C. Anschließend wurden die Membranen dreimal mit PBS mit 0,2 % Tween gewaschen und mit fluoreszierenden StarBright Blue 520 (Bio-Rad) oder biotinylierten Anti-Maus-IgG-Sekundärantikörpern (Vector Lab Inc) inkubiert. Anschließend wurden die Membranen dreimal mit PBS mit 0,2 % Tween gewaschen und mit einem ChemiDoc MP (Bio-Rad) abgebildet.

Für die Immunogold-Negativfärbungs-Elektronenmikroskopie wurden Sarkosyl-unlösliche Gehirnextrakte auf kohlenstoffbeschichtete 300-Mesh-Kupfergitter (Nissin EM) aufgetragen, mit 0,1 % Gelatine in PBS blockiert und mit einem primären Antikörper gegen pS409/410 TDP-43 inkubiert (CosmoBio CAC-TIP-PTD-M01) bei einer Verdünnung von 1:100 in 0,1 % Gelatine in PBS bei 21 °C für 3 Stunden. Nach dem Waschen mit PBS wurden die Gitter mit sekundären Antikörpern, die an 10-nm-Goldpartikel (Cytodiagnostics) konjugiert waren, in einer Verdünnung von 1:20 in 0,1 % Gelatine in PBS 1 Stunde lang bei 21 °C inkubiert. Anschließend wurden die Gitter mit 2 % Uranylacetat angefärbt. Elektronenmikroskopische Bilder wurden mit einem 120-keV-Thermo Fisher Scientific Tecnai Spirit oder einem 80-keV-JEOL JEM-1400-Elektronenmikroskop mit ladungsgekoppelten Kameras aufgenommen.

Zusammengesetztes TDP-43, extrahiert aus 0,1 g Gewebe, wurde mit 0,4 mg ml-1 Pronase (Sigma) 1 Stunde lang bei 21 °C inkubiert und durch 20-minütige Zentrifugation bei 166.000 g pelletiert. Das Pellet wurde in 100 μl Hexafluorisopropanol resuspendiert und über Nacht bei 37 °C inkubiert. Die resuspendierten Pellets wurden dann 2 Minuten lang mit 50 % Amplitude beschallt (QSonica Q700), gefolgt von einer 2-stündigen Inkubation bei 37 °C. Dieser Beschallungs- und Inkubationszyklus wurde wiederholt, bis das gesamte Material sichtbar resuspendiert war. Die resuspendierten Pellets wurden 15 Minuten lang bei 166.000 g zentrifugiert, und der Überstand wurde gesammelt und durch Vakuumzentrifugation (Savant) getrocknet. Die getrockneten Proteinproben wurden in 50 mM Ammoniumbicarbonat mit 8 M Harnstoff resuspendiert, mit 5 mM DTT bei 56 °C 30 Minuten lang reduziert und mit 10 mM Iodacetamid im Dunkeln bei Raumtemperatur 30 Minuten lang alkyliert. Die Proben wurden mit 50 mM Ammoniumbicarbonat auf 1 M Harnstoff verdünnt und über Nacht bei 25 °C mit Chymotrypsin (Promega) inkubiert. Der Proteaseverdau wurde durch Zugabe von Ameisensäure bis zu einer Endkonzentration von 0,5 % gestoppt. Die Proben wurden dann 5 Minuten lang bei 16.000 g zentrifugiert und die Überstände wurden entsalzt und unter Verwendung speziell angefertigter C18-Stop-and-Go-Extraktionsspitzen (STAGE) (3M Empore), gefüllt mit porösem Oligo-R3-Harz (Thermo Fisher), fraktioniert. Die STAGE-Spitzen wurden mit 80 % Acetonitril (MeCN) mit 0,5 % Ameisensäure äquilibriert, gefolgt von 0,5 % Ameisensäure. Gebundene Peptide wurden schrittweise mit MeCN bei Konzentrationen von 5 % auf 60 % MeCN in 10 mM Ammoniumbicarbonat eluiert und teilweise durch Vakuumzentrifugation (Savant) getrocknet.

Fraktionierte Peptide wurden durch Flüssigkeitschromatographie gekoppelt mit Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) unter Verwendung eines vollautomatischen Ultimate 3000 RSLCnano-Systems (Thermo Fisher) analysiert. Die Peptide wurden mit einer 100 μm × 2 cm großen PepMap 100 C18-Nano-Trap-Säule (Thermo Scientific) eingefangen und auf einer 75 μm × 25 cm großen nanoEase M/Z HSS C18 T3-Säule (Waters) unter Verwendung eines binären Gradienten aus 2 % MeCN getrennt 0,1 % Ameisensäure (Puffer A) und 80 % MeCN in 0,1 % Ameisensäure (Puffer B) bei einer Flussrate von 300 nl min−1. Eluierte Peptide wurden direkt mit einer NanoFlex-Ionenquelle in ein Orbitrap Eclipse-Massenspektrometer (Thermo Fisher) eingebracht. MS1-Spektren wurden mit einer Auflösung von 120 K, einem Massenbereich von 380–1400 m/z, einem automatischen Verstärkungskontrollziel von 4e5, einer maximalen Injektionszeit von 50 ms und einem dynamischen Ausschluss von 60 s aufgenommen. Die MS2-Analyse wurde mit einer höherenergetischen Kollisionsdissoziationsaktivierungs-Orbitrap-Detektion mit einer Auflösung von 15 K, einem automatischen Verstärkungskontrollziel von 5e4, einer maximalen Injektionszeit von 50 ms, einer normalisierten Kollisionsenergie von 30 % und einem Isolationsfenster von 1,2 m/z durchgeführt.

LC-MS/MS-Daten wurden mit Mascot (Matrix Science, v.2.4) anhand der von Menschen überprüften Datenbank (UniProtKB/Swiss-Prot, Version 2019_03) durchsucht. Datenbanksuchparameter wurden mit einer Vorläufertoleranz von 10 ppm und einer Fragmentionenmassentoleranz von 0,1 Da festgelegt. Es waren maximal drei fehlende Chymotrypsin-Spaltungen zulässig. Als statische Modifikation wurde Carbamidomethylcystein eingestellt. Als variable Modifikationen wurden Methioninoxidation, Arginincitrullinierung und -methylierung sowie Asparagin- und Glutamindesaminierung angegeben. Scaffold (v.4, Proteome Software Inc.) wurde zur Validierung von MS/MS-basierten Peptid- und Proteinidentifizierungen verwendet. MS/MS-Spektren, die Arginin-Citrullinierung und -Methylierung enthielten, wurden manuell bestätigt.

Extrahiertes zusammengesetztes TDP-43 wurde mit 0,4 mg ml-1 Pronase (Sigma) 1 Stunde lang bei 21 °C inkubiert und 15 Sekunden lang bei 3.000 g zentrifugiert. Die Überstände wurden aufbewahrt und auf glimmentladene 1,2/1,3 μm große, löchrige, mit Kohlenstoff beschichtete 300-Mesh-Goldgitter (Quantifoil) aufgetragen und unter Verwendung eines Vitrobot Mark IV (Thermo Fisher) in flüssigem Ethan tauchgefroren. Die Bilder wurden mit einem 300-keV-Titan-Krios-Mikroskop (Thermo Fisher) aufgenommen, das mit einem K3-Detektor (Gatan) und einem GIF-Quantenenergiefilter (Gatan) ausgestattet war und bei einer Spaltbreite von 20 eV betrieben wurde. Bei der Bildaufnahme wurde eine aberrationsfreie Bildverschiebung in der EPU-Software (Thermo Fisher) verwendet. Weitere Details finden Sie in der erweiterten Datentabelle 2.

Videobilder wurden mit dem Bewegungskorrekturprogramm in RELION-4.0 (Lit. 55) verstärkungskorrigiert, ausgerichtet, dosisgewichtet und summiert. Die bewegungskorrigierten mikroskopischen Aufnahmen wurden verwendet, um die Kontrastübertragungsfunktion mit CTFFIND-4.1 (Lit. 56) abzuschätzen. Bei der gesamten nachfolgenden Bildverarbeitung wurden helikale Rekonstruktionsmethoden in RELION-4.0 verwendet (Ref. 57,58). TDP-43-Filamente wurden manuell ausgewählt und eine referenzfreie zweidimensionale (2D) Klassifizierung durchgeführt, um suboptimale Segmente zu entfernen. Erste 3D-Referenzmodelle wurden de novo erstellt, indem Sinogramme aus 2D-Klassendurchschnitten erstellt wurden, wie zuvor beschrieben59. Anschließend wurden 3D-Autoverfeinerungen mit Optimierung der helikalen Drehung durchgeführt, gefolgt von Bayes'scher Politur und Verfeinerung der Kontrastübertragungsfunktion55,60; Die 3D-Klassifizierung wurde verwendet, um suboptimale Segmente weiter zu entfernen und Segmente mit unterschiedlichen Kurvenkonformationen zu trennen. Anschließend wurden die 3D-Autoverfeinerung, das Bayes'sche Polieren und die Verfeinerung der Kontrastübertragungsfunktion wiederholt. Die endgültigen Rekonstruktionen wurden mithilfe der standardmäßigen Nachbearbeitungsverfahren in RELION-4.0 geschärft, und die Gesamtauflösungen wurden aus Fourier-Shell-Korrelationen von 0,143 zwischen den beiden unabhängig verfeinerten Halbkarten geschätzt, wobei Phasenrandomisierung zur Korrektur von Faltungseffekten einer großzügigen, weichkantigen Karte verwendet wurde Lösungsmittelmaske61. Schätzungen der lokalen Auflösung wurden mit dem gleichen Phasenrandomisierungsverfahren erhalten, jedoch mit einer weichen sphärischen Maske, die über die gesamte Karte verschoben wurde. Die Spiralsymmetrie wurde mit der RELION Helix Toolbox erzwungen. Weitere Details finden Sie in der erweiterten Datentabelle 2.

Die Atommodelle wurden de novo erstellt und im realen Raum in COOT62 unter Verwendung der am besten aufgelösten Karten verfeinert. Der Wiederaufbau mithilfe der Molekulardynamik wurde in ISOLDE63 durchgeführt. Die Modelle wurden im Fourier-Raum mit REFMAC5 (Lit. 64) verfeinert, wobei entsprechende Symmetriebeschränkungen mit Servalcat65 definiert wurden. Um das Fehlen einer Überanpassung zu bestätigen, wurde das Modell geschüttelt, im Fourier-Raum mit REFMAC5 gegen die erste Halbkarte verfeinert und mit der zweiten Halbkarte verglichen. Die Geometrie wurde mit MolProbity66 validiert. ChimeraX67 wurde für molekulare Grafiken und Analysen verwendet. Modellstatistiken sind in der erweiterten Datentabelle 2 aufgeführt.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Portfolio Reporting Summary.

Daten zum gesamten Exom wurden auf der Data Storage Site des National Institute on Aging Alzheimer's Disease unter dem Zugangscode NG00107 hinterlegt. Massenspektrometriedaten wurden in der Proteomics Identifications-Datenbank unter den Zugangsnummern PXD040102 und PXD043731 hinterlegt. Kryo-EM-Datensätze wurden im Electron Microscopy Public Image Archive unter den Zugangscodes EMPIAR-11438 für Person 1, EMPIAR-11428 für Person 2 und EMPIAR-11429 für Person 3 hinterlegt. Kryo-EM-Karten wurden in den Electron Microscopy Data hinterlegt Bank unter den Zugangscodes EMD-16628 für Einzelperson 1, Variante 1; EMD-16642 für Einzelperson 1, Variante 2; EMD-16643 für Einzelperson 1, Variante 3; EMD-16677 für Einzelperson 2, Variante 1; EMD-16681 für Einzelperson 2, Variante 2; und EMD-16682 für Individuum 3, Variante 1. Atommodelle wurden in der Proteindatenbank unter den Zugangscodes 8CG3 für Variante 1, 8CGG für Variante 2 und 8CGH für Variante 3 hinterlegt. Das Atommodell von TDP-43-Filamenten von Individuen mit ALS und Typ B FTLD-TDP sind in der Proteindatenbank unter dem Zugangscode 7PY2 verfügbar.

Neumann, M. et al. Ubiquitiniertes TDP-43 bei frontotemporaler Lappendegeneration und amyotropher Lateralsklerose. Wissenschaft 314, 130–133 (2006).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Arai, T. et al. TDP-43 ist ein Bestandteil von Ubiquitin-positiven Tau-negativen Einschlüssen bei frontotemporaler Lappendegeneration und amyotropher Lateralsklerose. Biochem. Biophys. Res. Komm. 351, 602–611 (2006).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Sreedharan, J. et al. TDP-43-Mutationen bei familiärer und sporadischer amyotropher Lateralsklerose. Science 319, 1668–1672 (2008).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kabashi, E. et al. TARDBP-Mutationen bei Personen mit sporadischer und familiärer amyotropher Lateralsklerose. Nat. Genet. 40, 572–574 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Van Deerlin, VM et al. TARDBP-Mutationen bei amyotropher Lateralsklerose mit TDP-43-Neuropathologie: eine genetische und histopathologische Analyse. Lancet Neurol. 7, 409–416 (2008).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Borroni, B. et al. Eine Mutation innerhalb von TARDBP führt zu frontotemporaler Demenz ohne Motoneuronerkrankung. Summen. Mutat. 30, E974–E983 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kovacs, GG et al. TARDBP-Variation im Zusammenhang mit frontotemporaler Demenz, supranukleärer Blickparese und Chorea. Mov. Unordnung. 24, 1842–1847 (2009).

Artikel Google Scholar

Mackenzie, IRA et al. Ein harmonisiertes Klassifizierungssystem für die FTLD-TDP-Pathologie. Acta Neuropathol. 122, 111–113 (2011).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Arseni, D. et al. Struktur pathologischer TDP-43-Filamente von ALS mit FTLD. Natur 601, 139–143 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Ayala, YM et al. Strukturelle Determinanten der zellulären Lokalisierung und des Transports von TDP-43. J. Cell Sci. 121, 3778–3785 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Afroz, T. et al. Die funktionelle und dynamische Polymerisation des ALS-verknüpften Proteins TDP-43 wirkt seiner pathologischen Aggregation entgegen. Nat. Komm. 8, 45 (2017).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hasegawa, M. et al. Phosphoryliertes TDP-43 bei frontotemporaler Lappendegeneration und amyotropher Lateralsklerose. Ann. Neurol. 64, 60–70 (2008).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lin, W.-L. & Dickson, DW Ultrastrukturelle Lokalisierung von TDP-43 in filamentösen neuronalen Einschlüssen bei verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen. Acta Neuropathol. 116, 205–213 (2008).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mori, F. et al. Reifungsprozess TDP-43-positiver neuronaler zytoplasmatischer Einschlüsse bei amyotropher Lateralsklerose mit und ohne Demenz. Acta Neuropathol. 116, 193–203 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Thorpe, JR, Tang, H., Atherton, J. & Cairns, NJ Feinstrukturanalyse der neuronalen Einschlüsse der frontotemporalen Lappendegeneration mit TDP-43-Proteinopathie. J. Neuronale Transm. 115, 1661–1671 (2008).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Nishihira, Y. et al. Sporadische amyotrophe Lateralsklerose: zwei pathologische Muster, die durch Analyse der Verteilung von TDP-43-immunreaktiven neuronalen und glialen zytoplasmatischen Einschlüssen gezeigt werden. Acta Neuropathol. 116, 169–182 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Nonaka, T. et al. Prionähnliche Eigenschaften pathologischer TDP-43-Aggregate aus erkrankten Gehirnen. Cell Rep. 4, 124–134 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Cracco, L. et al. Unterscheidung posttranslationaler Modifikationen bei dominant vererbten frontotemporalen Demenzen: FTLD-TDP Typ A (GRN) vs. Typ B (C9orf72). Neuropathol. Appl. Neurobiol. 48, e12836 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tarutani, A. et al. Ultrastrukturelle und biochemische Klassifizierung von pathogenem Tau, α-Synuclein und TDP-43. Acta Neuropathol. 143, 613–640 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Robinson, JL et al. TDP-43-Stränge zeigen in einer Untergruppe von ALS-Fällen Eigenschaften von Amyloid. Acta Neuropathol. 125, 121–131 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Jiang, YX et al. Amyloidfibrillen in FTLD-TDP bestehen aus TMEM106B und nicht aus TDP-43. Natur 605, 304–309 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Schweighauser, M. et al. Altersabhängige Bildung von TMEM106B-Amyloidfilamenten im menschlichen Gehirn. Natur 605, 310–314 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chang, A. et al. Homotypische Fibrillenbildung von TMEM106B bei verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen. Zelle 185, 1346–1355.e15 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Fan, Y. et al. Generisches Amyloidflimmern von TMEM106B bei Patienten mit Parkinson-Demenz und normalen älteren Menschen. Zellauflösung 32, 585–588 (2022).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Hoq, Md. R. et al. Kreuz-β-helikale Filamente von Tau und TMEM106B in der grauen und weißen Substanz einer Multisystem-Tauopathie mit präseniler Demenz. Acta Neuropathol. 145, 707–710 (2023).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Baker, M. et al. Mutationen im Progranulin verursachen Tau-negative frontotemporale Demenz im Zusammenhang mit Chromosom 17. Nature 442, 916–919 (2006).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Cruts, M. et al. Nullmutationen im Progranulin verursachen Ubiquitin-positive frontotemporale Demenz im Zusammenhang mit Chromosom 17q21. Natur 442, 920–924 (2006).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Perneel, J. et al. Akkumulation von C-terminalen TMEM106B-Fragmenten bei neurodegenerativen Erkrankungen und Alterung. Acta Neuropathol. 145, 285–302 (2022).

Artikel PubMed Google Scholar

Vicente, CT et al. C-terminale TMEM106B-Fragmente im menschlichen Gehirn korrelieren mit krankheitsassoziierten TMEM106B-Haplotypen. Gehirn https://doi.org/10.1093/brain/awad133 (2023).

Kametani, F. et al. Massenspektrometrische Analyse von angesammeltem TDP-43 in Gehirnen mit amyotropher Lateralsklerose. Wissenschaft. Rep. 6, 23281 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ulamec, SM, Brockwell, DJ & Radford, SE Ein Blick über den Kern hinaus: die Rolle flankierender Regionen bei der Aggregation amyloidogener Peptide und Proteine. Vorderseite. Neurosci. 14, 611285 (2020).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Yang, Y. et al. Strukturen von α-Synucleinfilamenten aus menschlichen Gehirnen mit Lewy-Pathologie. Natur 610, 791–795 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Falcon, B. et al. Neuartige Tau-Filamentfalte bei chronisch traumatischer Enzephalopathie umschließt hydrophobe Moleküle. Natur 568, 420–423 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Schweighauser, M. et al. Strukturen von α-Synuclein-Filamenten aus der Atrophie mehrerer Systeme. Natur 585, 464–469 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Radamaker, L. et al. Kryo-EM deckt strukturelle Brüche in einer vom Patienten stammenden Amyloidfibrille aufgrund einer systemischen AL-Amyloidose auf. Nat. Komm. 12, 875 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Guo, A. et al. Immunaffinitätsanreicherung und massenspektrometrische Analyse der Proteinmethylierung. Mol. Zelle. Proteomics 13, 372–387 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Aikio, M. et al. Gegensätzliche Rollen der p38α-vermittelten Phosphorylierung und Argininmethylierung bei der Auslösung der TDP-43-Proteinopathie. Vorabdruck bei bioRxiv https://doi.org/10.1101/2021.08.04.455154 (2021).

Blanc, RS & Richard, S. Argininmethylierung: das Erwachsenwerden. Mol. Zelle 65, 8–24 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Tanikawa, C. et al. Die Citrullinierung von RGG-Motiven in FET-Proteinen durch PAD4 reguliert die Proteinaggregation und die ALS-Anfälligkeit. Cell Rep. 22, 1473–1483 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Mondal, S. & Thompson, PR Chemische Biologie der Proteincitrullinierung durch die Protein-A-Arginin-Deiminasen. Curr. Meinung. Chem. Biol. 63, 19–27 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Shi, Y. et al. Strukturbasierte Klassifikation von Tauopathien. Natur 598, 359–363 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tsuji, H. et al. Molekulare Analyse und biochemische Klassifizierung der TDP-43-Proteinopathie. Brain 135, 3380–3391 (2012).

Artikel PubMed Google Scholar

Kato, M. et al. Zellfreie Bildung von RNA-Granulat: Sequenzdomänen mit geringer Komplexität bilden dynamische Fasern innerhalb von Hydrogelen. Zelle 149, 753–767 (2012).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Conicella, AE, Zerze, GH, Mittal, J. & Fawzi, NL ALS-Mutationen stören die Phasentrennung, die durch die α-helikale Struktur in der C-terminalen Domäne geringer Komplexität von TDP-43 vermittelt wird. Struktur 24, 1537–1549 (2016).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Knight, AC et al. Direkter Vergleich von Tau-PET-Radioliganden zur Bildgebung von TDP-43 im postmortalen ALS-Gehirn. Mol. Bildgebende Biol. 25, 513–527 (2023).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Laferrière, F. et al. TDP-43, das aus den Gehirnen von Probanden mit frontotemporaler Lappendegeneration extrahiert wurde, weist ausgeprägte Aggregate und neurotoxische Wirkungen auf, die die Krankheitsprogressionsraten widerspiegeln. Nat. Neurosci. 22, 65 (2019).

Artikel PubMed Google Scholar

De Rossi, P. et al. FTLD-TDP-Assemblys besäen Neoaggregate über eine Prionen-ähnliche Kaskade mit subtypspezifischen Merkmalen. EMBO Rep. 22, e53877 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Porta, S. et al. Von Patienten gewonnene Gehirnextrakte aus frontotemporaler Lappendegeneration induzieren in vivo die Bildung und Ausbreitung der TDP-43-Pathologie. Nat. Komm. 9, 4220 (2018).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cao, Q., Boyer, DR, Sawaya, MR, Ge, P. & Eisenberg, DS Kryo-EM-Strukturen von vier polymorphen TDP-43-Amyloidkernen. Nat. Struktur. Mol. Biol. 26, 619–627 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Li, Q., Babinchak, WM & Surewicz, WK Kryo-EM-Struktur von Amyloidfibrillen, die durch die gesamte Domäne niedriger Komplexität von TDP-43 gebildet werden. Nat. Komm. 12, 1620 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kumar, ST et al. Das Auslösen der Aggregation von TDP-43 erfordert eine proteolytische Spaltung nach der Fibrillenbildung. Nat. Neurosci. 26, 983–996 (2023).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Huey, ED et al. Merkmale von Patienten mit frontotemporaler Demenz mit einer Progranulin-Mutation. Ann. Neurol. 60, 374–380 (2006).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Renton, AE et al. Eine Hexanukleotid-Wiederholungsexpansion in C9ORF72 ist die Ursache für Chromosom 9p21-verknüpftes ALS-FTD. Neuron 72, 257–268 (2011).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Spina, S. et al. Klinisch-pathologische Merkmale der frontotemporalen Demenz mit Variation der Progranulin-Sequenz. Neurology 68, 820–827 (2007).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zivanov, J., Nakane, T. & Scheres, SHW Ein Bayes'scher Ansatz zur strahlinduzierten Bewegungskorrektur in der Kryo-EM-Einzelpartikelanalyse. IUCrJ 6, 5–17 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rohou, A. & Grigorieff, N. CTFFIND4: schnelle und genaue Defokusschätzung aus elektronenmikroskopischen Aufnahmen. J. Struktur. Biol. 192, 216–221 (2015).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

He, S. & Scheres, SHW Spiralrekonstruktion in RELION. J. Struktur. Biol. 198, 163–176 (2017).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kimanius, D., Dong, L., Sharov, G., Nakane, T. & Scheres, SHW Neue Tools für die automatisierte Kryo-EM-Einzelpartikelanalyse in RELION-4.0. Biochem. J. 478, 4169–4185 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Scheres, SHW Amyloidstrukturbestimmung in RELION -3.1. Acta Crystallogr. D-Struktur. Biol. 76, 94–101 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zivanov, J., Nakane, T. & Scheres, SHW Schätzung von Aberrationen höherer Ordnung und anisotroper Vergrößerung aus Kryo-EM-Datensätzen in RELION-3.1. IUCrJ 7, 253–267 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chen, S. et al. Hochauflösende Rauschsubstitution zur Messung der Überanpassung und Validierung der Auflösung bei der 3D-Strukturbestimmung durch Einzelpartikel-Elektronenkryomikroskopie. Ultramicroscopy 135, 24–35 (2013).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Casañal, A., Lohkamp, ​​B. & Emsley, P. Aktuelle Entwicklungen in Coot für den makromolekularen Modellaufbau von Elektronen-Kryomikroskopie und kristallographischen Daten. Proteinwissenschaft. 29, 1055–1064 (2020).

Artikel Google Scholar

Croll, TI ISOLDE: eine physikalisch realistische Umgebung für den Modellaufbau in niedrigaufgelösten Elektronendichtekarten. Acta Crystallogr. D-Struktur. Biol. 74, 519–530 (2018).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Brown, A. et al. Werkzeuge für den Aufbau makromolekularer Modelle und die Verfeinerung in elektronenkryomikroskopische Rekonstruktionen. Acta Crystallogr. D-Struktur. Biol. 71, 136–153 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Yamashita, K., Palmer, CM, Burnley, T. & Murshudov, GN Kryo-EM-Einzelpartikelstrukturverfeinerung und Kartenberechnung mit Servalcat. Acta Crystallogr. D-Struktur. Biol. 77, 1282–1291 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Williams, CJ et al. MolProbity: mehr und bessere Referenzdaten für eine verbesserte Validierung der Gesamtatomstruktur. Proteinwissenschaft. 27, 293–315 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Pettersen, EF et al. UCSF ChimeraX: Strukturvisualisierung für Forscher, Pädagogen und Entwickler. Proteinwissenschaft. 30, 70–82 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

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Wir danken den Einzelpersonen und ihren Familien für die Spende von Hirngewebe; die Manchester Brain Bank, die Teil der Brains for Dementia Research Initiative ist, die gemeinsam von der Alzheimer's Society und Alzheimer's Research UK finanziert wird, zur Bereitstellung von Gewebe von den Personen 1 und 3; JH Grafman für die Bereitstellung von Gewebe von Individuum 4; das National Centralized Repository for Alzheimer's Disease and Related Dementias, das vom National Institute on Aging finanziert wird, für die Bereitstellung von Gewebe von Einzelpersonen 5; das Center for Medical Genomics der Indiana University School of Medicine für DNA-Sequenzierung der nächsten Generation; MH Jacobsen für seine Hilfe bei neuropathologischen Untersuchungen; R. Otani für Hilfe bei der Immunmarkierung; M. Tahira für Hilfe bei der Massenspektrometrie; K. Yamashita und G. Murshudov für Hilfe bei Servalcat und Modellverfeinerungen in REFMAC5; Mitarbeiter der MRC Laboratory of Molecular Biology Electron Microscopy Facility für Zugang zu und Unterstützung bei Kryo-EM; Mitarbeiter der MRC Laboratory of Molecular Biology Scientific Computing Facility für Zugang zu und Unterstützung bei der Datenverarbeitung; Mitarbeiter der MRC Laboratory of Molecular Biology Mass Spectrometry Facility für den Zugang zu und Unterstützung bei der Massenspektrometrie; und TS Behr, A. Bertolotti, SW Davies, M. Goedert, SHW Scheres und S. Tetter für Diskussionen. Diese Arbeit wurde vom Medical Research Council im Rahmen von UK Research and Innovation (MC_UP_1201/25 an BR-F.) unterstützt; ein Alzheimer's Research UK Rising Star Award (ARUK-RS2019-001 an BR-F.); die US National Institutes of Health (P30-AG010133, U01-NS110437 und RF1-AG071177 für RV und BG); die japanische Agentur für medizinische Forschung und Entwicklung (JP20dm0207072 an MH); die Japan Science and Technology Agency Core Research for Evolutional Science and Technology (JPMJCR18H3 bis MH); ein Postgraduiertenstipendium des Cambridge Commonwealth, European & International Trust für RC; und ein Leverhulme Early Career Fellowship (ECF-2022-610 an DA). Zum Zweck des offenen Zugangs hat das MRC Laboratory of Molecular Biology eine öffentliche CC BY-Urheberrechtslizenz auf jede entstehende, vom Autor akzeptierte Manuskriptversion angewendet.

MRC-Labor für Molekularbiologie, Cambridge, Großbritannien

Diana Arseni, Renren Chen, Alexey G. Murzin, Sew Y. Peak-Chew und Benjamin Ryskeldi-Falcon

Abteilung für Pathologie und Labormedizin, Indiana University School of Medicine, Indianapolis, IN, USA

Holly J. Garringer, Kathy L. Newell, Ruben Vidal und Bernardino Ghetti

Abteilung für Gehirn- und Neurowissenschaften, Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science, Tokio, Japan

Fuyuki Kametani & Masato Hasegawa

Abteilung für Neurowissenschaften, Fakultät für Biologie, Medizin und Gesundheit, School of Biological Sciences, Universität Manchester, Salford Royal Hospital, Salford, Großbritannien

Andrew C. Robinson

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KLN, BG und MH identifizierten Personen. ACR und BG führten neuropathologische Untersuchungen durch. ACR, BG und MH führten eine Immunhistochemie durch. HJG und RV führten genetische Analysen durch. DA, RC und MH extrahierten TDP-43-Filamente. DA, FK und MH führten biochemische Analysen durch. RC, SYP-C. und FK sammelten und analysierten Massenspektrometriedaten. DA sammelte Kryo-EM-Daten. DA, Hauptversammlung und BR-F. analysierte Kryo-EM-Daten. BR-F. betreute die Studie. Alle Autoren haben zum Verfassen des Manuskripts beigetragen. BG, MH und BR-F. sind die leitenden Autoren.

Korrespondenz mit Benjamin Ryskeldi-Falcon.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature dankt James Shorter und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

a,b, Immunhistochemie für TDP-43 (braun) im präfrontalen Kortex der Individuen 1–5 mit Antikörpern gegen den N-Terminus von TDP-43 (a) und an S409 und S410 phosphoryliertes TDP-43 (b). Die Schnitte wurden mit Hämatoxylin (blau) gegengefärbt. Maßstabsbalken, 25 μm. c, Immunoblots der Sarkosyl-löslichen und Sarkosyl-unlöslichen Fraktionen aus dem präfrontalen Kortex der Individuen 1–3 und ein Kontrollfall ohne TDP-43-Pathologie (C) mit einem Antikörper gegen TDP-43, phosphoryliert an S409 und S410. Daten zur Gelquelle finden Sie in der ergänzenden Abbildung 1. d, Kryo-EM-Bilder von TDP-43-Filamenten aus dem präfrontalen Kortex der Personen 1–3. Maßstabsbalken, 50 nm. e, EM-Bilder mit Immungold-Negativfärbung von TDP-43-Filamenten aus dem präfrontalen Kortex der Individuen 1 und 2 mit einem Antikörper gegen TDP-43, phosphoryliert an S409 und S410. Maßstabsbalken, 100 nm. Für a–e wurden ähnliche Ergebnisse in mindestens drei unabhängigen Experimenten erhalten.

a: Fourier-Shell-Korrelationskurven (FSC) für die beiden unabhängig verfeinerten Kryo-EM-Halbkarten von TDP-43-Filamenten aus Typ A FTLD-TDP (schwarze Linie); für das verfeinerte Atommodell gegen die Kryo-EM-Dichtekarte (Magenta); für das Atommodell, das unter Verwendung der ersten Halbkarte im Vergleich zur ersten Halbkarte (Cyan) geschüttelt und verfeinert wurde; und für dasselbe Atommodell gegen die zweite Halbkarte (gelb). Dargestellt sind FSC-Grenzwerte von 0,143 (schwarze gestrichelte Linie) und 0,5 (magentafarbene gestrichelte Linie). b, Schätzung der lokalen Auflösung für die Kryo-EM-Dichtekarte. c, Kryo-EM-Dichtekarte, gesehen entlang der Helixachse. Maßstabsbalken, 10 Å. d,e, Ansichten der Kryo-EM-Dichtekarte und des Atommodells, die repräsentative Dichten für geordnetes Lösungsmittel (rote Pfeile) (d) und Sauerstoffatome der Hauptkette in β-Strängen zeigen, die die Chiralität der Karte verraten (e).

a, Kryo-EM-Bilder von TMEM106B-Filamenten aus dem präfrontalen Kortex der Individuen 1–3. Pfeile zeigen Beispiele für einzelne (Cyan) und doppelte (Magenta) TMEM106B-Filamente. Maßstabsbalken, 100 nm. Ähnliche Ergebnisse wurden in mindestens drei unabhängigen Experimenten erzielt. b, Massenspektrometrie-TMEM106B-Peptidabdeckung aus dem präfrontalen Kortex der Individuen 1–3. Die Peptide sind der Region zugeordnet, die den geordneten Kern der TMEM106B-Filamente bildet, mit Ausnahme eines Peptids aus Individuum 2, das der Transmembranhelix (TM) von TMEM106B zugeordnet ist. Die Zählungen sind für jedes Peptid angegeben. Peptidsequenzen sind in der Ergänzungsdatentabelle 1 aufgeführt.

a, Schematische Darstellung der FTLD-TDP-Falte vom Typ A. b, Kryo-EM-Karte und Atommodell, dargestellt für die Q/N-reiche Region von fünf TDP-43-Molekülen entlang der Helixachse. c–e, Sekundärstruktur der FTLD-TDP-Faltung vom Typ A, dargestellt für ein einzelnes TDP-43-Molekül senkrecht zur Helixachse, wobei die fünf Schichten in verschiedenen Farben hervorgehoben sind (c); dargestellt für fünf TDP-43-Moleküle entlang der Helixachse (d); und dargestellt für ein einzelnes TDP-43-Molekül senkrecht zur Helixachse, wobei Bereiche der Reißverschlusspackung orange hervorgehoben sind (e). f, Atommodell der Falte, das intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen darstellt (cyanfarbene gestrichelte Linien), dargestellt für drei TDP-43-Moleküle senkrecht zur Helixachse. g: Hydrophobie der Faltung von der höchsten Hydrophilie (Cyan) zur höchsten Hydrophobie (Gelb), dargestellt für ein einzelnes TDP-43-Molekül senkrecht zur Helixachse. Das rote Sternchen zeigt den hydrophoben Cluster an, der an der Grenzfläche der zweiten und dritten Schicht gebildet wird. h, Ansicht des Atommodells und der nicht-proteinischen Dichten, dargestellt für fünf TDP-43-Moleküle entlang der Helixachse. i, Oberflächendarstellung der Falte, dargestellt für ein einzelnes TDP-43-Molekül senkrecht zur Helixachse. Für b,d,f sind die glycinreichen (G274–G310, Magenta), hydrophoben (M311–S342, weiß) und Q/N-reichen (Q343–Q360, grün) Regionen hervorgehoben.

a, Kryo-EM-Karten von TDP-43-Filamenten aus FTLD-TDP vom Typ A mit unterschiedlichen lokalen Konformationen der N-terminalen Region (cyanfarbene Pfeile) und der Windung, die die vierte Schicht mit der fünften verbindet (gelbe Pfeile), in der Mitte dargestellt Scheiben senkrecht zur Spiralachse. Maßstabsbalken, 25 Å. b: Fourier-Shell-Korrelationskurven (FSC) für die beiden unabhängig verfeinerten Kryo-EM-Halbkarten (schwarze Linien); für das verfeinerte Atommodell gegen die Kryo-EM-Dichtekarte (Magenta); für das Atommodell, das unter Verwendung der ersten Halbkarte im Vergleich zur ersten Halbkarte (Cyan) geschüttelt und verfeinert wurde; und für dasselbe Atommodell gegen die zweite Halbkarte (gelb). Dargestellt sind FSC-Grenzwerte von 0,143 (schwarze gestrichelte Linie) und 0,5 (magentafarbene gestrichelte Linie). c, Schätzungen der örtlichen Auflösung für die Kryo-EM-Dichtekarten. d, Kryo-EM-Dichtekarten, betrachtet entlang der Helixachse. Maßstabsbalken, 10 Å. e, Kryo-EM-Dichtekarten und Atommodelle, dargestellt für ein einzelnes TDP-43-Molekül senkrecht zur Helixachse.

Beispielhafte Mikroaufnahmen von TDP-43-Filamenten vom FTLD-TDP-Individuum 1 vom Typ A, die die Positionen von Filamentsegmenten zeigen, die zu Kryo-EM-Karten mit unterschiedlichen lokalen Konformationen beitragen, die innerhalb einzelner Filamente auftreten können. Filamentsegmente mit den wichtigsten lokalen Konformationen sind in Cyan dargestellt; mit der alternativen lokalen Konformation der N-terminalen Region in Magenta; und mit der alternativen lokalen Konformation der N-terminalen Region und der Kurve, die die vierte Schicht mit der fünften verbindet, in Gelb. Maßstabsbalken, 100 nm.

Massenspektren von TDP-43-Peptiden, die citrulliniertes R293 aus TDP-43-Filamenten enthalten, die aus dem präfrontalen Kortex der Individuen 1–5 isoliert wurden.

Massenspektren von TDP-43-Peptiden, die monomethyliertes R293 aus TDP-43-Filamenten enthalten, die aus dem präfrontalen Kortex der Individuen 1 und 2 isoliert wurden. Solche Peptide wurden bei den Individuen 3–5 nicht nachgewiesen, möglicherweise weil insgesamt weniger Peptide enthalten, die R293 von TDP-43 enthalten wurden bei diesen Personen im Vergleich zu den Personen 1 und 2 festgestellt.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Arseni, D., Chen, R., Murzin, AG et al. TDP-43 bildet Amyloidfilamente mit einer deutlichen Falte in Typ-A-FTLD-TDP. Natur (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06405-w

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Eingegangen: 10. Februar 2023

Angenommen: 05. Juli 2023

Veröffentlicht: 02. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06405-w

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