Det syntetiske tau-protein afslører vigtig indsigt i proteinfejlfoldning og fibrildannelse

Det syntetiske tau-protein afslører vigtig indsigt i proteinfejlfoldning og fibrildannelse

Forskere ved Northwestern University og University of California, Santa Barbara har skabt det første syntetiske fragment af tau-proteinet, der fungerer som en prion. "Mini-prion" folder og stabler til strenge (eller fibriller) af forkert foldede tau-proteiner, som derefter overfører deres unormalt foldede form til andre normale tau-proteiner.

Fejlfoldede prionlignende proteiner driver udviklingen af ​​tauopatier, en gruppe af neurodegenerative sygdomme – herunder Alzheimers sygdom – gennem den unormale ophobning af fejlfoldet tau-protein i hjernen. Ved at studere en minimal, fuld-længde syntetisk version af human tau, kan forskerne bedre genskabe fibrilstrukturen, der indeholder forkert foldede tau-proteiner. Dette kan potentielt føre til målrettede diagnostiske og terapeutiske værktøjer, der er et presserende behov for neurodegenerative sygdomme.

Under udviklingen af ​​det syntetiske protein afslørede forskerne også ny indsigt i vandets rolle omkring proteinoverfladen i at styre fejlfoldningsprocessen. En mutation, der almindeligvis bruges til at modellere TAU-relaterede sygdomme, ændrer subtilt den dynamiske struktur af vand i miljøet umiddelbart omkring tau-proteinet, fandt forskerne. Denne ændrede vandstruktur påvirker proteinets evne til at antage sin unormale form.

Undersøgelsen vil blive offentliggjort i ugen den 28. aprilProceedings af dette National Academy of Sciences.

"Omfanget af neurodegenerative sygdomme, der involverer proteinet tau, er særligt bredt," sagde Northwesterns Songi Han, der ledede undersøgelsen. "Det omfatter kronisk traumatisk encefalopati, der opstår hos fodboldspillere efter hovedtraume, corticobasal degeneration eller progressiv supernuklear parese. Generer selvudbredende tau-fragmenter, der kan producere fibrilstrukturen og fejlfunktion af den unikke anterior anterior anterior anterior tauopati.

Han er Mark og Nancy Ratner professor i kemi i Northwesterns Neeinberg College of Arts and Sciences og medlem af Institute for the Chemistry of Life Processes, Applied Physics Graduate Program, International Institute of Nanotechnology, Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy, and Institute for Quantum Information Research and Engineering. Michael Vigers, en tidligere ph.d. Studerende i Hans' laboratorium ledede undersøgelsen og er førsteforfatter. UC Santa Barbara medforfattere omfatter Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea og M. Scott Shell. Arbejdet blev også muliggjort af flere studerende og postdoc-stipendiater, herunder Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose og Andrew P. Longhini.

En kædereaktion af forkerte folder

I mange neurodegenerative sygdomme foldes proteinerne til skadelige, højt ordnede fibriller, som i sidste ende skader hjernens sundhed, men som er svære at diagnosticere. Når et normalt protein møder de patologiske tau-fibriller, ændres det normale protein for at tilpasse sig den forkert foldede form. Denne proces fører til en kædereaktion, hvor flere og flere proteiner omdannes til den fejlfoldede aggregeringstilstand. Selvom denne adfærd er prion-lignende, involverer den ikke egentlige prioner, som kan sprede smitsomme sygdomme fra person til person.

Ved hjælp af kryogen elektronmikroskopi (cryo-EM) løste forskerne strukturen af ​​fibriller fra prøver af hjernevæv. Selvom designet af strukturen var et betydeligt gennembrud, kan hjerneprøver kun opnås efter en patients død. På trods af de dramatiske fremskridt og den intense interesse for dette område er den endelige diagnose af TAU-relaterede neurodegenerative sygdomme kun mulig efter døden.

I dag, hvor mennesker viser tegn på en neurodegenerativ sygdom, er den ikke diagnosticeret med en biomarkør. Læger bestemmer diagnosen ved at administrere en patientundersøgelse og undersøge en samling af symptomer såsom søvnmønstre og hukommelse. Flaskehalsen er den pålidelige generation af tau-fibriller, der rekonstituerer de kritiske og unikke sygdomme for at tjene som mål for udvikling af diagnostiske strategier. “

Songi Han, Northwestern University

En forenklet model

For at løse den aktuelle udfordring søgte Han og hendes team at udvikle et syntetisk, prionlignende tau-protein. I stedet for at genskabe hele længden af ​​proteinet, som er langt og uhåndterligt, forsøgte Hans team at bestemme det korteste stykke tau, der stadig kunne antage en forkert foldet form og danne sygdomslignende fibriller.

I sidste ende fokuserede Han og hendes team på et kort segment af tau, kaldet JR2R3, som kun er 19 aminosyresegmenter langt. Segmentet indeholder en mutation kaldet P301L, som er almindeligt forekommende i mange sygdomme. Forskerne fandt ud af, at dette korte peptid kunne danne de skadelige fibriller, der er kendetegnende for disse sygdomme, og fungere som et "frø" til at opdele fejlfoldning og aggregering af tau-proteiner i fuld længde.

"Vi lavede en miniversion, der er lettere at kontrollere," sagde Han. "Men det gør alle de samme ting som fuldlængdeversionen. De frø og får normalt tau-protein til at folde fibrillerne forkert og binde sammen."

Holdet brugte cryo-EM til at undersøge strukturen af ​​de syntetiske fibriller. De fandt ud af, at P301L-mutationen letter en specifik type fejlfoldning, der almindeligvis observeres i prøver fra patienter med neurodegeneration. Fundet tyder på, at mutationen spiller en afgørende rolle i at lede proteinet til fejlfoldning.

Vandets form

Han ønskede dernæst at forstå, hvordan de oprindeligt uordnede tau-proteiner bliver meget ordnede fibrilstrukturer. Hun sammenlignede det mystiske fænomen med at kaste tråde af slap spaghetti sammen og forvente, at de ville danne en pæn bunke.

"Det er umuligt, at et iboende uordnet protein naturligt falder i en perfekt fold og stak, der kan regenerere for evigt," sagde Han. "Det giver ingen mening."

Efter at have antaget, at noget måtte holde de forkert foldede proteiner sammen, fandt Han nøglen: vand. Miljøet omkring et protein, især vandmolekylerne, spiller en afgørende rolle i proteinfoldning og aggregering. P301L-mutationen ser ud til direkte at ændre strukturen af ​​tau-proteinet og ændre adfærden af ​​vandmolekyler omkring det.

"Vand er et flydende molekyle, men det har stadig struktur," sagde Han. "Mutationen i peptidet kan resultere i et mere struktureret arrangement af vandmolekyler omkring mutationsstedet. Dette strukturerede vand påvirker, hvordan peptidet interagerer med andre molekyler og grupperer dem sammen."

Med andre ord holder organiseret vand proteinerne sammen og tillader individuelle tråde at binde sig sammen til en pæn bunke. Fibrillerne bruger derefter deres prion-lignende adfærd til at rekruttere andre proteiner til at udfælde og slutte sig til stakken.

Hvad er det næste?

Forskerholdet fokuserer nu på yderligere at karakterisere egenskaberne af de syntetiske prionlignende proteiner. I sidste ende planlægger de at undersøge potentielle anvendelser, herunder udvikling af nye diagnostiske og terapeutiske tilgange til TAU-relaterede sygdomme.

"Når en tau fibril først er dannet, forsvinder den ikke," sagde Han. "Den vil gribe naiv tau og folde den til den samme form. Den kan gøre dette for evigt og altid. Hvis vi kan finde ud af, hvordan vi blokerer denne aktivitet, kan vi afsløre nye terapeutiske midler."

Undersøgelsen, "Water Design is Key to Tau Prion Formation," blev støttet af National Institutes of Health (bevillingsnumre R01AG05605 og R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft og WM Keck Foundation.

Kilder: