يكشف بروتين تاو الاصطناعي عن رؤى مهمة حول اختلال البروتين وتكوين الألياف

يكشف بروتين تاو الاصطناعي عن رؤى مهمة حول اختلال البروتين وتكوين الألياف

ابتكر العلماء في جامعة نورث وسترن وجامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا أول جزء اصطناعي من بروتين تاو الذي يعمل مثل البريون. يطوي "البريون الصغير" ويتكدس في خيوط (أو ليفات) من بروتينات تاو غير المطوية، والتي تنقل بعد ذلك شكلها المطوي بشكل غير طبيعي إلى بروتينات تاو طبيعية أخرى.

تؤدي البروتينات الشبيهة بالبريون المشوهة إلى تطور اعتلالات التاووباثي، وهي مجموعة من الأمراض التنكسية العصبية - بما في ذلك مرض الزهايمر - من خلال التراكم غير الطبيعي لبروتين تاو المشوه في الدماغ. ومن خلال دراسة نسخة اصطناعية كاملة الطول من بروتين تاو البشري، يمكن للعلماء إعادة إنشاء البنية الليفية التي تحتوي على بروتينات تاو غير المطوية بشكل أفضل. يمكن أن يؤدي هذا إلى أدوات تشخيصية وعلاجية مستهدفة مطلوبة بشكل عاجل للأمراض التنكسية العصبية.

أثناء تطوير البروتين الاصطناعي، كشف العلماء أيضًا عن رؤى جديدة حول دور الماء حول سطح البروتين في توجيه عملية الطي الخاطئ. ووجد الباحثون أن الطفرة المستخدمة عادة لنمذجة الأمراض المرتبطة بـ TAU تغير بمهارة البنية الديناميكية للمياه في البيئة المحيطة مباشرة ببروتين تاو. يؤثر هذا التركيب المائي المتغير على قدرة البروتين على اتخاذ شكله غير الطبيعي.

سيتم نشر الدراسة في الأسبوع الذي يبدأ يوم 28 أبريلوقائع هذه الأكاديمية الوطنية للعلوم.

وقال سونجي هان من جامعة نورثويسترن، والذي قاد الدراسة: "إن نطاق الأمراض التنكسية العصبية التي تنطوي على بروتين تاو واسع بشكل خاص". "وهو يشمل الاعتلال الدماغي الرضحي المزمن الذي يحدث لدى لاعبي كرة القدم بعد صدمة الرأس، أو التنكس القشري القاعدي أو الشلل فوق النووي التدريجي. توليد شظايا تاو ذاتية الانتشار يمكن أن تنتج البنية الليفية وخلل في اعتلال التاووب الأمامي الأمامي الأمامي الفريد من نوعه.

هان هو أستاذ مارك ونانسي راتنر للكيمياء في كلية نينبيرج للفنون والعلوم بجامعة نورث وسترن، وعضو في معهد كيمياء العمليات الحياتية، وبرنامج الدراسات العليا في الفيزياء التطبيقية، والمعهد الدولي لتقنية النانو، ومعهد باولا إم تريننز للاستدامة والطاقة، ومعهد أبحاث وهندسة المعلومات الكمومية. مايكل فيجرز، دكتوراه سابق. قاد الطالب في مختبر هانز الدراسة وهو المؤلف الأول. من بين المؤلفين المشاركين في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، كينيث س. كوسيك، وجوان إيما شيا، وإم سكوت شيل. وقد أصبح هذا العمل ممكنًا أيضًا بفضل العديد من الطلاب وزملاء ما بعد الدكتوراه، بما في ذلك سعيد نجفي، وصامويل لوبو، وكارين تساي، وأوستن دوبوز، وأندرو بي لونجيني.

تفاعل متسلسل للطيات غير الصحيحة

في العديد من الأمراض التنكسية العصبية، تطوى البروتينات إلى ألياف ليفية ضارة ومرتبة للغاية تؤدي في النهاية إلى الإضرار بصحة الدماغ ولكن يصعب تشخيصها. عندما يواجه البروتين الطبيعي ألياف تاو المرضية، يتغير البروتين الطبيعي ليتوافق مع الشكل غير المطوي. تؤدي هذه العملية إلى تفاعل متسلسل يتحول فيه المزيد والمزيد من البروتينات إلى حالة التجميع الخاطئة. على الرغم من أن هذا السلوك يشبه البريون، إلا أنه لا يتضمن البريونات الفعلية، والتي يمكن أن تنشر الأمراض المعدية من شخص لآخر.

وباستخدام المجهر الإلكتروني المبرد (cryo-EM)، تمكن الباحثون من حل بنية الألياف من عينات من أنسجة المخ. وعلى الرغم من أن تصميم الهيكل كان بمثابة إنجاز كبير، إلا أنه لا يمكن الحصول على عينات من الدماغ إلا بعد وفاة المريض. على الرغم من التقدم الهائل والاهتمام الشديد بهذا المجال، فإن التشخيص النهائي للأمراض العصبية المرتبطة بـ TAU لا يمكن تحقيقه إلا بعد الوفاة.

اليوم، عندما تظهر على الأشخاص علامات مرض التنكس العصبي، لا يتم تشخيصه بمؤشر حيوي. يحدد الأطباء التشخيص عن طريق إجراء مسح للمريض وفحص مجموعة من الأعراض مثل أنماط النوم والذاكرة. إن عنق الزجاجة هو الجيل الموثوق من ألياف تاو التي تعيد تشكيل الأمراض الحرجة والفريدة من نوعها لتكون بمثابة أهداف لتطوير استراتيجيات التشخيص. "

سونجي هان، جامعة نورث وسترن

نموذج مبسط

ولمواجهة التحدي الحالي، سعت هان وفريقها إلى تطوير بروتين تاو اصطناعي يشبه البريون. وبدلاً من إعادة إنشاء كامل طول البروتين، وهو طويل وغير عملي، كان فريق هان يهدف إلى تحديد أقصر قطعة من بروتين تاو والتي لا يزال من الممكن أن تتخذ شكلاً غير مطوي وتشكل أليافًا تشبه المرض.

في النهاية، ركزت هان وفريقها على جزء قصير من بروتين تاو، يسمى JR2R3، وهو عبارة عن 19 قطعة من الأحماض الأمينية فقط. يحتوي الجزء على طفرة تسمى P301L، والتي توجد عادة في العديد من الأمراض. ووجد الباحثون أن هذا الببتيد القصير يمكن أن يشكل أليافًا ضارة تعتبر السمة المميزة لهذه الأمراض، حيث تعمل بمثابة "بذرة" لتقسيم اختلال وتجميع بروتينات تاو كاملة الطول.

وقال هان: "لقد صنعنا نسخة مصغرة يسهل التحكم فيها". "لكنها تفعل نفس الأشياء مثل النسخة الكاملة. إنها تزرع وتتسبب في خلل في بروتين تاو الطبيعي للألياف والترابط معًا."

استخدم الفريق تقنية cryo-EM لفحص بنية الألياف الاصطناعية. ووجدوا أن طفرة P301L تسهل نوعًا معينًا من اختلال الطي الذي يتم ملاحظته بشكل شائع في عينات من المرضى الذين يعانون من التنكس العصبي. تشير النتائج إلى أن الطفرة تلعب دورًا حاسمًا في توجيه البروتين نحو الاختلال.

شكل الماء

أراد هان بعد ذلك أن يفهم كيف تصبح بروتينات تاو المضطربة في البداية هياكل ليفية عالية الترتيب. وشبهت هذه الظاهرة الغامضة برمي خيوط السباغيتي معًا وتوقع أن تشكل كومة مرتبة.

وقال هان: "من المستحيل أن يقع البروتين المضطرب جوهريًا بشكل طبيعي في طية مثالية ومكدس يمكن أن يتجدد إلى الأبد". "هذا لا معنى له."

بعد الافتراض بأن شيئًا ما يجب أن يربط البروتينات الخاطئة ببعضها البعض، وجد هان المفتاح: الماء. تلعب البيئة المحيطة بالبروتين، وخاصة جزيئات الماء، دورًا حاسمًا في طي البروتين وتجميعه. يبدو أن طفرة P301L تغير بشكل مباشر بنية بروتين تاو وتغير سلوك جزيئات الماء المحيطة به.

وقال هان: "الماء جزيء سائل، لكن لا يزال له هيكل". "يمكن أن تؤدي الطفرة في الببتيد إلى ترتيب أكثر تنظيماً لجزيئات الماء حول موقع الطفرة. ويؤثر هذا الماء المنظم على كيفية تفاعل الببتيد مع الجزيئات الأخرى ويجمعها معًا."

وبعبارة أخرى، فإن الماء المنظم يجمع البروتينات معًا ويسمح للخيوط الفردية بالارتباط معًا في كومة أنيقة. تستخدم الألياف بعد ذلك سلوكها الشبيه بالبريون لتجنيد بروتينات أخرى للترسيب والانضمام إلى المكدس.

ما هي الخطوة التالية؟

يركز فريق البحث الآن على توصيف خصائص البروتينات الاصطناعية الشبيهة بالبريون. وفي نهاية المطاف، يخططون لدراسة التطبيقات المحتملة، بما في ذلك تطوير أساليب تشخيصية وعلاجية جديدة للأمراض المرتبطة بـ TAU.

وقال هان: "بمجرد تشكيل لييفات تاو، فإنها لا تختفي". "سوف يلتقط تاو الساذج ويطويه في نفس الشكل. يمكنه القيام بذلك إلى الأبد. إذا تمكنا من معرفة كيفية منع هذا النشاط، فيمكننا اكتشاف عوامل علاجية جديدة."

تم دعم الدراسة التي تحمل عنوان "تصميم المياه هو مفتاح تكوين تاو بريون" من قبل المعاهد الوطنية للصحة (أرقام المنح R01AG05605 وR35GM136411)، ومؤسسة Deutsche Forschungsgemaft، ومؤسسة WM Keck.

مصادر: