Binary Structure of Amyloid Beta Oligomers Revealed by Dual Recognition Mapping

Abstract

원자힘 현미경은 단일 분자 수준에서 나노 미터 이하의 공간 분해능, 피코 뉴턴 분해능, 탄성 계수, 열역학 및 분자 상호 작용의 동역학을 제공해준다. 본 연구에서는 원자힘 현미경을 사용하여 아밀로이드 베타 1-40 (Aβ40) 및 아밀로이드 베타 1-42 (Aβ42)의 동일종 올리고머 및 이들의 혼종 올리고머의 구조적 특징을 규명하였다. 이를 위하여, 원자힘 현미경의 탐침에는 N/C-말단을 인식하는 항체를 각각 도입하였으며, 이들을 각각 이용하여 올리고머의 표면 구조를 조사하였다. 올리고머의 표면은 아밀로이드 베타 N/C-말단이 분포하는 부분과 분포하지 않은 부분으로 구성되었으며, 올리고머의 크기에 따라 말단의 분포 비율이 증가하였다. 올리고머 표면의 기계적/물리적 특성은 원자힘 현미경의 나노압입에 의한 탄성 계측으로 조사하였으며, N/C-말단이 분포하는 부분이 그렇지 않은 부분에 비해 연성의 성질을 가지는 것으로 나타났다. 또한 N/C-말단이 분포하는 부분과 분포하지 않은 부분의 집합 정도를 수치화 (clustering index) 하였으며, 시뮬레이션을 이용하여 이들 분포의 랜덤(random) 특성을 조사하였다. N/C-말단이 분포하는 부분은 올리고머의 크기가 커질수록 증가하였고, 이에 따라 N/C-말단의 집합 정도가 증가하였지만, 이들 분포는 모든 올리고머에서 랜덤한 분포를 가지는 것으로 나타났다. 앞서 서술한 특징은 단량체의 아미노산의 개수, 동일종 또는 혼종에 따른 차이가 없이, 모든 올리고머에서 공통적인 특성으로 나타났다.

Amyloid beta (Aβ) oligomers are widely considered to be the causative agent of Alzheimer’s disease (AD), a progressive neurodegenerative disorder. Revealing the structure of the oligomers is important for both understanding the disease and developing therapeutic agents, but the structure has proved difficult to elucidate due to their complexity, non-crystallinity, and variability. Herein, we characterized the surface structure of Aβ oligomers at the single molecule level. We have found that both the N- and C-terminal of Aβ are distributed on the oligomer surface. In addition, we have obtained high-resolution maps revealing that the surfaces of oligomers consist of two types of regions in which termini are either exposed or not. Intriguingly, the elastic modulus of the former regions is significantly more flexible than the latter regions. These two regions were randomly distributed on the oligomer surface. Our experimental scheme can be extended to other types of amyloidogenic proteins (such as α-synuclein and Prion), and can be used for characterizing aggregates prepared under a wide range of conditions, as well as clinical samples.