Syntetický protein tau odhaluje důležité poznatky o nesprávném skládání proteinu a tvorbě fibril

Syntetický protein tau odhaluje důležité poznatky o nesprávném skládání proteinu a tvorbě fibril

Vědci z Northwestern University a University of California v Santa Barbaře vytvořili první syntetický fragment proteinu tau, který působí jako prion. „Miniprion“ se skládá a skládá do vláken (nebo fibril) špatně složených proteinů tau, které pak přenášejí svou abnormálně složenou formu na jiné normální proteiny tau.

Chybně složené prionové proteiny řídí progresi tauopatií, což je skupina neurodegenerativních onemocnění – včetně Alzheimerovy choroby – prostřednictvím abnormální akumulace chybně složeného proteinu tau v mozku. Studiem minimální syntetické verze lidského tau v plné délce mohou vědci lépe obnovit strukturu fibril, která obsahuje špatně složené proteiny tau. To by mohlo potenciálně vést k cíleným diagnostickým a terapeutickým nástrojům, které jsou naléhavě potřebné pro neurodegenerativní onemocnění.

Během vývoje syntetického proteinu vědci také odhalili nové poznatky o úloze vody kolem povrchu proteinu při řízení procesu nesprávného skládání. Mutace běžně používaná k modelování nemocí souvisejících s TAU jemně mění dynamickou strukturu vody v prostředí bezprostředně obklopujícím protein tau, zjistili vědci. Tato změněná struktura vody ovlivňuje schopnost proteinu zaujmout svůj abnormální tvar.

Studie bude zveřejněna v týdnu od 28. dubnaSborník této Národní akademie věd.

"Rozsah neurodegenerativních onemocnění zahrnujících protein tau je obzvláště široký," řekl Songi Han z Northwestern, který studii vedl. "Zahrnuje chronickou traumatickou encefalopatii, která se vyskytuje u fotbalistů po traumatu hlavy, kortikobazální degeneraci nebo progresivní supernukleární obrně. Vytvářejte samo se šířící fragmenty tau, které mohou produkovat strukturu fibril a poruchu jedinečné přední přední přední přední tauopatie.

Han je profesorem chemie Mark a Nancy Ratnerovi na Northwestern's Neeinberg College of Arts and Sciences a členem Institutu pro chemii životních procesů, programu pro absolventy aplikované fyziky, Mezinárodního institutu nanotechnologií, Institutu Pauly M. Trienensové pro udržitelnost a energii a Institutu pro výzkum a inženýrství kvantových informací. Michael Vigers, bývalý Ph.D. Student v Hansově laboratoři vedl studii a je prvním autorem. Mezi spoluautory UC Santa Barbara patří Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea a M. Scott Shell. Práci umožnilo také několik studentů a postdoktorandů, včetně Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose a Andrew P. Longhini.

Řetězová reakce nesprávných záhybů

U mnoha neurodegenerativních onemocnění se proteiny skládají do škodlivých, vysoce uspořádaných fibril, které nakonec poškozují zdraví mozku, ale je obtížné je diagnostikovat. Když se normální protein setká s patologickými tau fibrilami, normální protein se změní, aby se přizpůsobil nesprávně složenému tvaru. Tento proces vede k řetězové reakci, ve které se stále více proteinů transformuje do špatně složeného agregačního stavu. Ačkoli je toto chování podobné prionům, nezahrnuje skutečné priony, které mohou šířit infekční choroby z člověka na člověka.

Pomocí kryogenní elektronové mikroskopie (cryo-EM) vědci vyřešili strukturu fibril ze vzorků mozkové tkáně. Přestože návrh konstrukce byl významným průlomem, vzorky mozku lze získat až po smrti pacienta. Přes dramatický pokrok a intenzivní zájem o tuto oblast je definitivní diagnóza neurodegenerativních onemocnění souvisejících s TAU možná až po smrti.

Dnes, kdy lidé vykazují známky neurodegenerativního onemocnění, není diagnostikováno biomarkerem. Lékaři určují diagnózu provedením průzkumu pacienta a zkoumáním souboru příznaků, jako jsou spánkové vzorce a paměť. Úzkým místem je spolehlivá generace tau fibril, které rekonstituují kritická a jedinečná onemocnění a slouží jako cíle pro vývoj diagnostických strategií. “

Songi Han, Severozápadní univerzita

Zjednodušený model

Aby se Han a její tým vypořádali se současnou výzvou, snažili se vyvinout syntetický, prionový protein tau. Namísto opětovného vytvoření celé délky proteinu, který je dlouhý a nepraktický, se Hanův tým zaměřil na určení nejkratšího kusu tau, který by stále mohl zaujmout špatně složený tvar a vytvořit fibrily podobné chorobám.

Nakonec se Han a její tým zaměřili na krátký segment tau, nazvaný JR2R3, který je dlouhý pouze 19 aminokyselinových segmentů. Segment obsahuje mutaci zvanou P301L, která se běžně vyskytuje u mnoha nemocí. Výzkumníci zjistili, že tento krátký peptid by mohl tvořit škodlivé fibrily, které jsou charakteristickým znakem těchto onemocnění, fungující jako „semeno“ pro kompartmentalizaci chybného skládání a agregace tau proteinů plné délky.

"Vyrobili jsme mini verzi, která se snadněji ovládá," řekl Han. "Ale dělá to stejné věci jako celovečerní verze. Vysévají se a způsobují, že normální protein tau špatně složí fibrily a spojí se."

Tým použil kryo-EM ke zkoumání struktury syntetických fibril. Zjistili, že mutace P301L usnadňuje specifický typ chybného skládání, který je běžně pozorován ve vzorcích od pacientů s neurodegenerací. Zjištění naznačuje, že mutace hraje klíčovou roli při nasměrování proteinu do chybného skládání.

Tvar vody

Han dále chtěl pochopit, jak se z původně neuspořádaných tau proteinů stávají vysoce uspořádané fibrilové struktury. Záhadný jev přirovnala k házení pramenů bezvládných špaget a očekávání, že vytvoří úhlednou hromádku.

"Je nemožné, že by přirozeně neuspořádaný protein přirozeně spadl do dokonalého záhybu a stohu, který se může navždy regenerovat," řekl Han. "Nedává to smysl."

Po hypotéze, že něco musí držet špatně složené proteiny pohromadě, Han našel klíč: vodu. Prostředí obklopující protein, zejména molekuly vody, hrají klíčovou roli při skládání a agregaci proteinů. Zdá se, že mutace P301L přímo mění strukturu proteinu tau a mění chování molekul vody kolem něj.

"Voda je kapalná molekula, ale stále má strukturu," řekl Han. "Mutace v peptidu by mohla vést ke strukturovanějšímu uspořádání molekul vody kolem místa mutace. Tato strukturovaná voda ovlivňuje, jak peptid interaguje s jinými molekulami a seskupuje je dohromady."

Jinými slovy, organizovaná voda slepuje proteiny dohromady a umožňuje jednotlivým vláknům spojit se do úhledné hromady. Fibrily pak využívají své prionové chování k rekrutování dalších proteinů, aby se vysrážely a spojily se shlukem.

co bude dál?

Výzkumný tým se nyní zaměřuje na další charakterizaci vlastností syntetických prionových proteinů. Nakonec plánují prozkoumat potenciální aplikace, včetně vývoje nových diagnostických a terapeutických přístupů pro onemocnění související s TAU.

"Jakmile se tau fibrila vytvoří, nezmizí," řekl Han. "Uchopí naivní tau a složí ho do stejného tvaru. Může to dělat navždy a navždy. Pokud dokážeme přijít na to, jak tuto aktivitu zablokovat, můžeme odhalit nové terapeutické látky."

Studii „Vodní design je klíčem k tvorbě prionů Tau“ podpořily National Institutes of Health (čísla grantů R01AG05605 a R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft a WM Keck Foundation.

Zdroje: