Cryo-ET of prion-infected neurons reveals nanopathology shared with Huntington disease models
通过采用冷冻相关光与电子显微镜工作流程，本研究揭示了朊病毒感染的神经元表现出独特的纳米级病理特征，包括膜室内的碎裂纤维以及线粒体颗粒堆积，这些特征与在亨廷顿舞蹈症模型中观察到的现象极其相似，表明不同神经退行性疾病之间存在共同的神经元功能障碍机制。
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像阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿舞蹈症这类神经退行性疾病有着一个令人恐惧的共同点：它们都是由蛋白质错误折叠、聚集并缓慢破坏大脑所驱动的。几十年来，科学家们一直在研究一种被称为朊病毒疾病（prion disease）的特定且具有高度传染性的过程，在这种疾病中，一种异常的蛋白质充当模板，迫使健康的蛋白质扭曲成相同的有害形状。这些被称为朊病毒的错误折叠集群可以从一个细胞传播到另一个细胞，最终导致神经元死亡。虽然研究人员早已明白这些蛋白质聚集体是罪魁祸首，但关于它们如何在活体神经细胞内移动、生长和造成损伤的具体机制，一直以来都隐藏在迷雾之中。问题在于，传统的观察这些细胞的方法通常需要将其冻结，但这会扭曲其脆弱的内部结构，或者将其从自然环境中移除，从而导致我们在了解这些疾病在运作的大脑中究竟如何展开方面存在知识空白。
伦敦帝国理工学院的一个研究小组现在通过开发一种无需干扰即可窥视受感染神经元内部的新方法，填补了这些缺失的环节。他们创建了一种将光镜法与一种名为冷冻电子断层扫描（cryo-electron tomography）的强大成像技术相结合的工作流。这种方法允许他们在瞬间冻结活体神经元，使其保持在一种模拟自然水环境的“玻璃态冰”状态中。通过用荧光染料标记传染性朊病毒种子，并使用抗体来识别新生成的致病蛋白团块，科学家们可以在冻结细胞前实时追踪感染过程。随后，他们使用电子显微镜从不同角度拍摄数千张图像，并将它们缝合在一起，构建出一个三维的神经元内部地图，其精度之高，甚至能让单个蛋白质纤维清晰可见。
研究人员将重点放在了原代小鼠神经元上，因为它们比实验室常用的简化细胞系更能代表人类大脑。他们用带有荧光标记的朊病毒感染了这些细胞，并等待疾病发生。在检查冻结后的细胞时，他们发现新的致病相关蛋白集群看起来并不像早期在纯化样本研究中看到的那些长而坚实的蛋白质绳索。相反，在活体神经元内部，这些新的集群表现为短小的、破碎的纤维。这些碎片并非自由漂浮，而是被紧密地包裹在膜结合的区室（compartments）内，就像细胞内的微小气泡一样。这些区室通常被微管（microtubules）——即沿着神经元手臂运行的结构轨道——所包围。研究人员还注意到，新的蛋白集群经常伴随着一些奇怪的、扁平的、片状结构，这些结构在电子束下显得极其致密且黑暗。
或许最令人震惊的发现是，这些片状结构并非朊病毒疾病所特有。在最近研究受亨廷顿舞蹈症影响的神经元时，也观察到了同样的电子致密片状结构。在这两种情况下，这些片状物都呈现出不同的形成阶段，从微小的、无定形的团块到大型的、成熟的片状物，后者似乎在推挤并使细胞膜发生形变。研究人员还发现，在受感染的神经元中，线粒体——即细胞的能量产生中心——充满了扩大的、电子致密的颗粒。这些颗粒明显大于同龄健康未感染神经元中的颗粒。这一发现也与亨廷顿舞蹈症模型共有，表明尽管这两种疾病的诱因不同，但细胞会对产生一种相似且特定的内部损伤反应。
这项研究表明，这些疾病破坏神经元的方式可能涉及一套共同的细胞应激反应。片状聚集体和扩大的线粒体颗粒在朊病毒和亨廷顿舞蹈症模型中同时出现，表明不同的疾病驱动因素可能会触发相同的最终细胞应激路径。研究人员提出，这些片状聚集体可能是细胞试图管理过量蛋白质堆积的一种迹象，可能通过一种被称为“自噬”（autophagy）的过程进行，即细胞试图清理自身的废物。如果这个清理系统变得不堪重负或失效，就可能导致这些片状物和颗粒的积累，最终导致细胞功能障碍。这些特征出现在两种截然不同的疾病中，这一事实提出了这样一种可能性：旨在帮助细胞清除这些特定类型碎屑的疗法，可能对一系列神经退行性疾病都有效。
通过在原生状态下可视化这些过程，研究人员已经超越了观察孤立的蛋白质样本，转而观察疾病在活体细胞内究竟是如何运作的。他们发现，神经元的生存环境塑造了传染性蛋白质的结构，使其保持破碎和受限的状态，而不是像在试管中那样生长成长纤维。这项工作并未解决如何治愈这些疾病的谜题，但它提供了一个更清晰的战场图景。它表明，损伤不仅仅是简单的坏蛋白积累，而是一个涉及膜区室、细胞清理系统和能量中心的复杂相互作用。理解这些共同特征为思考如何保护神经元提供了新的角度，暗示着旨在支持细胞处理压力和清理碎屑能力的疗法，可能为同时治疗多种类型的脑部疾病提供希望。
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