Синтетичният тау протеин разкрива важна информация за неправилното нагъване на протеина и образуването на фибрили

Синтетичният тау протеин разкрива важна информация за неправилното нагъване на протеина и образуването на фибрили

Учени от Северозападния университет и Калифорнийския университет в Санта Барбара създадоха първия синтетичен фрагмент от тау протеина, който действа като прион. „Мини-прионът“ се нагъва и натрупва в нишки (или фибрили) от неправилно нагънати тау протеини, които след това предават необичайно нагънатата си форма на други нормални тау протеини.

Неправилно нагънати прион-подобни протеини стимулират прогресирането на тауопатии, група невродегенеративни заболявания – включително болестта на Алцхаймер – чрез анормално натрупване на неправилно нагънат тау протеин в мозъка. Чрез изучаване на минимална синтетична версия на човешки тау с пълна дължина учените могат по-добре да пресъздадат фибрилната структура, която съдържа неправилно нагънати тау протеини. Това потенциално може да доведе до целенасочени диагностични и терапевтични инструменти, които са спешно необходими за невродегенеративни заболявания.

По време на разработването на синтетичния протеин учените разкриха и нови прозрения за ролята на водата около повърхността на протеина при насочването на процеса на неправилно нагъване. Мутация, която обикновено се използва за моделиране на заболявания, свързани с TAU, леко променя динамичната структура на водата в околната среда, непосредствено заобикаляща тау протеина, установиха изследователите. Тази променена водна структура засяга способността на протеина да приеме необичайната си форма.

Проучването ще бъде публикувано през седмицата на 28 априлСборници на тази Национална академия на науките.

„Обхватът на невродегенеративните заболявания, включващи протеина тау, е особено широк“, каза Сонги Хан от Northwestern, който ръководи изследването. „Това включва хронична травматична енцефалопатия, която се появява при футболисти след травма на главата, кортикобазална дегенерация или прогресивна супернуклеарна парализа. Генериране на саморазпространяващи се тау фрагменти, които могат да произведат фибрилната структура и неизправност на уникалната предна предна предна предна тауопатия.

Хан е професор по химия на Марк и Нанси Ратнър ​​в колежа по изкуства и науки в Neeinberg на Northwestern и член на Института по химия на жизнените процеси, магистърска програма по приложна физика, Международен институт по нанотехнологии, Институт за устойчивост и енергия на Паула М. Триененс и Институт за квантово информационно изследване и инженерство. Майкъл Вигерс, бивш доктор по философия. Студент в лабораторията на Ханс ръководи изследването и е първият автор. Съавторите на UC Santa Barbara включват Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea и M. Scott Shell. Работата също стана възможна от няколко студенти и постдокторанти, включително Саид Наджафи, Самуел Лобо, Карън Цай, Остин Дъбоуз и Андрю П. Лонгини.

Верижна реакция на неправилни гънки

При много невродегенеративни заболявания протеините се сгъват във вредни, силно подредени фибрили, които в крайна сметка увреждат здравето на мозъка, но са трудни за диагностициране. Когато нормален протеин срещне патологичните тау фибрили, нормалният протеин се променя, за да съответства на неправилно нагънатата форма. Този процес води до верижна реакция, при която все повече и повече протеини се трансформират в неправилно нагънато агрегатно състояние. Въпреки че това поведение е подобно на приони, то не включва действителни приони, които могат да разпространяват инфекциозни заболявания от човек на човек.

Използвайки криогенна електронна микроскопия (cryo-EM), изследователите решават структурата на фибрилите от проби от мозъчна тъкан. Въпреки че дизайнът на структурата е значителен пробив, мозъчни проби могат да бъдат получени само след смъртта на пациента. Въпреки драматичния напредък и интензивния интерес в тази област, окончателната диагноза на свързаните с TAU невродегенеративни заболявания е възможна само след смъртта.

Днес, когато хората показват признаци на невродегенеративно заболяване, то не се диагностицира с биомаркер. Лекарите определят диагнозата, като провеждат проучване на пациента и изследват набор от симптоми като модели на сън и памет. Тесното място е надеждното генериране на тау фибрили, които възстановяват критичните и уникални заболявания, за да служат като цели за разработване на диагностични стратегии. “

Сонги Хан, Северозападен университет

Опростен модел

За да се справят с настоящото предизвикателство, Хан и нейният екип се опитаха да разработят синтетичен, подобен на прион тау протеин. Вместо да пресъздаде цялата дължина на протеина, който е дълъг и тромав, екипът на Хан имаше за цел да определи най-късото парче тау, което все още може да приеме неправилно нагъната форма и да образува подобни на заболяване фибрили.

В крайна сметка Хан и нейният екип се фокусираха върху къс сегмент от тау, наречен JR2R3, който е дълъг само 19 аминокиселинни сегмента. Сегментът съдържа мутация, наречена P301L, която обикновено се среща при много заболявания. Изследователите откриха, че този къс пептид може да образува увреждащите фибрили, които са отличителният белег на тези заболявания, действайки като „семе“, за да раздели неправилното нагъване и агрегацията на тау протеини с пълна дължина.

„Направихме мини версия, която е по-лесна за управление“, каза Хан. "Но той прави всички същите неща като версията с пълна дължина. Те засяват и карат нормалния тау протеин да нагъва неправилно фибрилите и да се свързва заедно."

Екипът използва cryo-EM, за да изследва структурата на синтетичните фибрили. Те откриха, че мутацията P301L улеснява специфичен тип неправилно сгъване, което обикновено се наблюдава в проби от пациенти с невродегенерация. Откритието предполага, че мутацията играе решаваща роля в насочването на протеина към неправилно нагъване.

Формата на водата

След това Хан искаше да разбере как първоначално неподредените тау протеини се превръщат във високо подредени фибрилни структури. Тя оприличи мистериозния феномен на хвърляне на кичури хилави спагети и очакването те да образуват чиста купчина.

„Невъзможно е присъщо неподреден протеин естествено да попадне в перфектна гънка и стек, който може да се регенерира завинаги“, каза Хан. — Няма смисъл.

След хипотезата, че нещо трябва да държи неправилно нагънатите протеини заедно, Хан откри ключа: водата. Околната среда около протеина, особено водните молекули, играят решаваща роля в сгъването и агрегацията на протеина. Изглежда, че мутацията P301L директно променя структурата на тау протеина и променя поведението на водните молекули около него.

„Водата е течна молекула, но все още има структура“, каза Хан. "Мутацията в пептида може да доведе до по-структурирано подреждане на водни молекули около мястото на мутация. Тази структурирана вода влияе върху това как пептидът взаимодейства с други молекули и ги групира заедно."

С други думи, организираната вода слепва протеините заедно и позволява на отделните нишки да се свържат заедно в чиста купчина. След това фибрилите използват подобно на приони поведение, за да набират други протеини, за да се утаят и да се присъединят към стека.

какво следва

Изследователският екип сега се фокусира върху по-нататъшното характеризиране на свойствата на синтетичните прион-подобни протеини. В крайна сметка те планират да проучат потенциални приложения, включително разработването на нови диагностични и терапевтични подходи за заболявания, свързани с TAU.

„След като се образува тау фибрил, той не изчезва“, каза Хан. „Ще грабне наивно тау и ще го сгъне в същата форма. Може да прави това завинаги. Ако можем да разберем как да блокираме тази дейност, можем да открием нови терапевтични агенти.“

Проучването „Дизайнът на водата е ключът към образуването на тау приони“ беше подкрепено от Националните институти по здравеопазване (номера на субсидии R01AG05605 и R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft и WM Keck Foundation.

източници: