[论文解读] Oxidative species-induced excitonic transport in tubulin aromatic networks: Potential implications for neurodegenerative disease

Philip Kurian, Thomas O. Obisesan+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2017

Photoreceptor and optogenetics research参考文献 112被引用 5

一句话总结

本文提出，微管中的微管蛋白芳香族网络可通过激子能量转移吸收并传输氧化应激产生的超弱光子发射（UPE），潜在地实现细胞信号传导或能量耗散。当阿尔茨海默病等tau蛋白病中微管完整性受损时，光子导引功能受损可能导致氧化损伤累积，加速神经退行性变。

ABSTRACT

Oxidative stress is a pathological hallmark of neurodegenerative tauopathic disorders such as Alzheimer's disease and Parkinson's disease-related dementia, which are characterized by altered forms of the microtubule-associated protein (MAP) tau. MAP tau is a key protein in stabilizing the microtubule architecture that regulates neuron morphology and synaptic strength. The precise role of reactive oxygen species (ROS) in the tauopathic disease process, however, is poorly understood. It is known that the production of ROS by mitochondria can result in ultraweak photon emission (UPE) within cells. One likely absorber of these photons is the microtubule cytoskeleton, as it forms a vast network spanning neurons, is highly co-localized with mitochondria, and shows a high density of aromatic amino acids. Functional microtubule networks may traffic this ROS-generated endogenous photon energy for cellular signaling, or they may serve as dissipaters/conduits of such energy. Experimentally, after in vitro exposure to exogenous photons, microtubules have been shown to reorient and reorganize in a dose-dependent manner with the greatest effect being observed around 280 nm, in the tryptophan and tyrosine absorption range. In this paper, recent modeling efforts based on ambient temperature experiment are presented, showing that tubulin polymers can feasibly absorb and channel these photoexcitations via resonance energy transfer, on the order of dendritic length scales. Since microtubule networks are compromised in tauopathic diseases, patients with these illnesses would be unable to support effective channeling of these photons for signaling or dissipation. Consequent emission surplus due to increased UPE production or decreased ability to absorb and transfer may lead to increased cellular oxidative damage, thus hastening the neurodegenerative process.

研究动机与目标

• 研究微管蛋白芳香族氨基酸网络在吸收和传输由氧化应激产生的内源性光子中的作用。
• 确定微管是否可作为线粒体产生的超弱光子发射（UPE）的激子导管。
• 评估在tau蛋白病中微管网络破坏如何影响光子能量转移并导致氧化损伤增加。
• 探讨微管在神经元中作为ROS诱导光子的信号转导器或能量耗散器的潜力。

提出的方法

• 在常温下使用共振能量转移（类似FRET机制）建模微管蛋白聚合物中的激子能量转移。
• 聚焦于对应于色氨酸和酪氨酸吸收峰的280 nm波段光子的吸收与传输。
• 分析在微管网络中实现微米尺度距离（树突长度尺度）的能量转移的可行性。
• 利用体外实验数据中微管在280 nm光照下重新排列的结果，优化模型的能量转移效率。
• 评估tau蛋白病中微管结构退化对光子吸收与传输能力的影响。
• 使用理论建模评估疾病状态下光子发射过剩与吸收减少之间的平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 微管中微管蛋白的芳香族网络能否有效吸收并传输由氧化应激产生的超弱光子发射（UPE）？
• RQ2 在生理温度下，微管网络中能量转移在生物相关距离（微米尺度）上是否可行？
• RQ3 在tau蛋白病中微管结构受损如何影响其导引或耗散UPE的能力？
• RQ4 微管在神经元中作为ROS诱导光子的信号传导通路或能量耗散器的潜在作用是什么？
• RQ5 若疾病状态下微管光子传输受损，是否会导致氧化损伤增加并加速神经退行性变？

主要发现

• 在常温条件下，微管蛋白聚合物可通过共振能量转移在树突长度尺度上可行地吸收并导引光激发态。
• 280 nm波段——对应色氨酸和酪氨酸吸收峰——在微管重排中表现出最高敏感性，表明其具有强光子相互作用潜力。
• 功能完整的微管网络可能作为ROS生成光子的导管或耗散器，支持细胞信号传导或减轻氧化应激。
• 在tau蛋白病中，微管网络退化会降低其吸收和传输UPE的能力，导致潜在的发射过剩。
• 这种失衡可能导致因未管理的光子能量引发的细胞氧化损伤增加，从而促进神经退行性变的进展。
• 该模型提出了一种新颖机制，将氧化应激、光子传输与神经退行性变联系起来，超越经典蛋白质聚集通路。