Das synthetische Tau -Protein zeigt wichtige Einblicke in die Proteinfehlfaltung und die Bildung von Fibrillen

Wissenschaftler der Northwestern University und der University of California, Santa Barbara, haben das erste synthetische Fragment des Tau -Proteins geschaffen, das wie ein Prion wirkt. Das „Mini -Prion“ faltet und stapelt sich in Stränge (oder Fibrillen) von fehlgefalteten Tau -Proteinen, die dann ihre abnormal gefaltete Form an andere normale Tau -Proteine ​​übertragen.

Fehlfaltete Prion -ähnliche Proteine ​​treiben das Fortschreiten von Tauopathien, einer Gruppe von neurodegenerativen Erkrankungen – einschließlich Alzheimer -Krankheit – durch die abnormale Akkumulation von fehlgefaltetem Tau -Protein im Gehirn. Durch die Untersuchung einer minimalen synthetischen Version der menschlichen Tau in voller Länge können Wissenschaftler die Fibrillenstruktur, die fehlgefaltete Tau-Proteine ​​enthält, besser nachbilden. Dies könnte möglicherweise zu gezielten Instrumenten für Diagnose und Therapie führen, die für neurodegenerative Erkrankungen dringend benötigt werden.

Während der Entwicklung des synthetischen Proteins enthüllten die Wissenschaftler auch neue Einblicke in die Rolle des Wassers rund um die Proteinoberfläche, die den Fehlfaltenprozess führt. Eine Mutation, die üblicherweise verwendet wird, um TAU-verwandte Erkrankungen zu modellieren, verändert die dynamische Struktur von Wasser in der Umwelt, die das Tau-Protein unmittelbar umgibt, subtil, wie die Forscher feststellten. Diese veränderte Wasserstruktur beeinflusst die Fähigkeit des Proteins, ihre abnormale Form zu übernehmen.

Die Studie wird in der Woche vom 28. April in der veröffentlicht Verfahren dieser nationalen Akademie der Wissenschaften.

„Der Umfang neurodegenerativer Erkrankungen, an denen das Protein Tau beteiligt ist, ist besonders breit“, sagte Northwesterns Songi Han, der die Studie leitete. „Es umfasst eine chronische traumatische Enzephalopathie, die bei Fußballspieler nach Kopftrauma, Corticobasal-Degeneration oder progressive übernukleäre Lähmung vorkommt. Erzeugen selbst zu propagierende Tau-Fragmente, die die Fibrillenstruktur und die Fehlfunktion der einzigartigen Tauopathie nach vorne nach vorne nach vorne nach vorne erzeugen können.

Han ist der Mark- und Nancy -Ratner -Professor für Chemie am Neeinberg College of Arts and Sciences von Northwestern und Mitglied des Instituts für die Chemie von Life Processes, Applied Physics Graduate Program, International Institute of Nanotechnology, Paula M. Trienens Institute für Nachhaltigkeit und Energie sowie Institut für Quantuminformationsforschung und -technik. Michael Vigers, ein ehemaliger Ph.D. Student in Hans Labor leitete die Studie und ist Erstautor. Zu den Koautoren der UC Santa Barbara gehören Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea und M. Scott Shell. Die Arbeit wurde auch von mehreren Studenten und Postdoktoranden ermöglicht, darunter Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose und Andrew P. Longhini.

Eine Kettenreaktion von Fehlfalten

Bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen faltet die Proteine ​​in schädlichen, hochgeordneten Fibrillen, die letztendlich die Gesundheit des Gehirns beschädigen, aber schwer zu diagnostizieren sind. Wenn ein normales Protein auf die pathologischen Tau -Fibrillen stößt, ändert sich das normale Protein so, dass sie der fehlgefalteten Form entsprechen. Dieser Prozess führt zu einer Kettenreaktion, bei der sich immer mehr Proteine ​​in den fehlgefalteten Aggregationsstaat verwandeln. Obwohl dieses Verhalten prionartig ist, beinhaltet es keine tatsächlichen Prionen, die ansteckende Krankheiten von Person zu Person verbreiten können.

Unter Verwendung kryogener Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) lösten die Forscher die Struktur der Fibrillen aus Proben des Hirngewebes. Obwohl die Struktur der Struktur ein signifikanter Durchbruch war, können Gehirnproben nur nach dem Tod eines Patienten erhalten werden. Trotz des dramatischen Fortschritts und des intensiven Interesses in diesem Bereich ist die endgültige Diagnose von TAU-bezogenen neurodegenerativen Erkrankungen erst nach dem Tod möglich.

Wenn Menschen Anzeichen einer neurodegenerativen Erkrankung zeigen, wird dies heute nicht mit einem Biomarker diagnostiziert. Ärzte bestimmen die Diagnose, indem sie eine Patientenumfrage verabreicht und eine Sammlung von Symptomen wie Schlafmustern und Gedächtnis untersucht. Der Engpass ist die zuverlässige Erzeugung von Tau -Fibrillen, die die kritischen und einzigartigen Krankheiten wieder herstellen, um als Ziele für die Entwicklung diagnostischer Strategien zu dienen. „

Songi Han, Northwestern University

Ein vereinfachtes Modell

Um die aktuelle Herausforderung zu befriedigen, versuchten Han und ihr Team, ein synthetisches, prionartiges Tau-Protein zu entwickeln. Anstatt die gesamte Länge des Proteins, das lang und unhandlich ist, nachzubilden, zielte Hans Team darauf ab, das kürzeste Stück Tau zu bestimmen, das immer noch eine fehlgefaltete Form annehmen und krankheitsähnliche Fibrillen bilden könnte.

Letztendlich konzentrierten sich Han und ihr Team auf ein kurzes Segment von Tau, das als JR2R3 bezeichnet wird und nur 19 Aminosäure -Segmente lang ist. Das Segment enthält eine Mutation namens P301L, die häufig bei vielen Krankheiten zu finden ist. Die Forscher fanden heraus, dass dieses kurze Peptid die schädlichen Fibrillen bilden könnte, die das Kennzeichen dieser Krankheiten sind, und als „Samen“ wirken, um die Fehlfaltung und Aggregation von Tau-Proteinen in voller Länge zu unterteilen.

„Wir haben eine Mini -Version gemacht, die leichter zu kontrollieren ist“, sagte Han. „Aber es tut all die gleichen Dinge wie die Version in voller Länge. Sie säen und führt dazu, dass normales Tau-Protein die Fibrillen falsch faltet und sich miteinander verbindet.“

Mit Kryo-EM untersuchte das Team die Struktur der synthetischen Fibrillen. Sie fanden heraus, dass die P301L -Mutation eine bestimmte Art von Fehlfaltungen erleichtert, die häufig bei Proben von Patienten mit Neurodegeneration beobachtet wird. Der Befund legt nahe, dass die Mutation eine entscheidende Rolle bei der Regie des Proteins in die Fehlfaltung spielt.

Die Form des Wassers

Als nächstes wollte Han verstehen, wie die anfänglich ungeordneten Tau -Proteine ​​zu hoch geordneten Fibrillenstrukturen werden. Sie verglich das mysteriöse Phänomen mit dem Zusammenwerfen von Strängen mit schlaffen Spaghetti zusammen und erwartete, dass sie einen ordentlichen Stapel bilden.

„Es ist unmöglich, dass ein intrinsisch ungeordnetes Protein natürlich in eine perfekte Falte und einen perfekten Stapel geraten würde, der sich für immer regenerieren kann“, sagte Han. „Es macht keinen Sinn.“

Nach der Hypothese, dass etwas die fehlgefalteten Proteine ​​zusammenhalten muss, fand Han den Schlüssel: Wasser. Die Umgebung, die ein Protein umgibt, insbesondere die Wassermoleküle, spielen eine entscheidende Rolle bei der Proteinfaltung und Aggregation. Die P301L -Mutation scheint die Struktur des Tau -Proteins direkt zu verändern und das Verhalten von Wassermolekülen um sie herum zu verändern.

„Wasser ist ein flüssiges Molekül, aber es hat immer noch Struktur“, sagte Han. „Die Mutation im Peptid könnte zu einer strukturierteren Anordnung von Wassermolekülen um die Mutationsstelle führen. Dieses strukturierte Wasser beeinflusst, wie das Peptid mit anderen Molekülen interagiert und sie zusammenfasst.“

Mit anderen Worten, organisierte Wasser steckt die Proteine ​​zusammen und ermöglicht es einzelne Stränge, sich zu einem ordentlichen Stapel zusammenzubinden. Anschließend rekrutieren die Fibrillen mit ihrem prionähnlichen Verhalten andere Proteine, um sich dem Stapel zu fällen und sich dem Stapel anzuschließen.

Was kommt als nächstes

Das Forschungsteam konzentriert sich nun darauf, die Eigenschaften der synthetischen, prionähnlichen Proteine ​​weiter zu charakterisieren. Schließlich planen sie, potenzielle Anwendungen zu untersuchen, einschließlich der Entwicklung neuer diagnostischer und therapeutischer Ansätze für TAU-verwandte Krankheiten.

„Sobald ein Tau -Fibrille gebildet ist, verschwindet es nicht“, sagte Han. „Es wird naive Tau ergreifen und es in die gleiche Form falten. Es kann dies für immer und ewig tun. Wenn wir herausfinden können, wie diese Aktivität blockiert werden kann, können wir neue therapeutische Agenten aufdecken.“

Die Studie „Wasser gestaltet ist der Schlüssel zur Bildung von Tau-Prion“ wurde von den National Institutes of Health (Zuschusszahlen R01AG05605 und R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft und der WM Keck Foundation unterstützt.

Quellen: