Η συνθετική πρωτεΐνη ταυ αποκαλύπτει σημαντικές γνώσεις για την κακή αναδίπλωση των πρωτεϊνών και το σχηματισμό ινιδίων

Η συνθετική πρωτεΐνη ταυ αποκαλύπτει σημαντικές γνώσεις για την κακή αναδίπλωση των πρωτεϊνών και το σχηματισμό ινιδίων

Επιστήμονες στο Northwestern University και στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Santa Barbara δημιούργησαν το πρώτο συνθετικό θραύσμα της πρωτεΐνης tau που δρα σαν πριόν. Το "mini-prion" διπλώνει και στοιβάζεται σε κλώνους (ή ινίδια) λανθασμένα διπλωμένων πρωτεϊνών tau, οι οποίες στη συνέχεια μεταδίδουν την ασυνήθιστα διπλωμένη μορφή τους σε άλλες κανονικές πρωτεΐνες tau.

Οι λανθασμένες πρωτεΐνες που μοιάζουν με πριόν οδηγούν την εξέλιξη των ταυοπαθειών, μιας ομάδας νευροεκφυλιστικών ασθενειών – συμπεριλαμβανομένης της νόσου του Αλτσχάιμερ – μέσω της ανώμαλης συσσώρευσης της λανθασμένης διπλωμένης πρωτεΐνης ταυ στον εγκέφαλο. Μελετώντας μια ελάχιστη, πλήρους μήκους συνθετική εκδοχή του ανθρώπινου ταυ, οι επιστήμονες μπορούν να αναδημιουργήσουν καλύτερα τη δομή των ινιδίων που περιέχει λανθασμένες πρωτεΐνες ταυ. Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να οδηγήσει σε στοχευμένα διαγνωστικά και θεραπευτικά εργαλεία που χρειάζονται επειγόντως για νευροεκφυλιστικές ασθένειες.

Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης της συνθετικής πρωτεΐνης, οι επιστήμονες αποκάλυψαν επίσης νέες ιδέες για το ρόλο του νερού γύρω από την επιφάνεια της πρωτεΐνης στην καθοδήγηση της διαδικασίας λανθασμένης αναδίπλωσης. Μια μετάλλαξη που χρησιμοποιείται συνήθως για τη μοντελοποίηση ασθενειών που σχετίζονται με το TAU αλλάζει διακριτικά τη δυναμική δομή του νερού στο περιβάλλον που περιβάλλει αμέσως την πρωτεΐνη tau, διαπίστωσαν οι ερευνητές. Αυτή η αλλοιωμένη δομή του νερού επηρεάζει την ικανότητα της πρωτεΐνης να παίρνει το ανώμαλο σχήμα της.

Η μελέτη θα δημοσιευτεί την εβδομάδα της 28ης ΑπριλίουΠρακτικά αυτής της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών.

«Το εύρος των νευροεκφυλιστικών ασθενειών που περιλαμβάνουν την πρωτεΐνη tau είναι ιδιαίτερα ευρύ», δήλωσε ο Songi Han του Northwestern, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης. "Περιλαμβάνει χρόνια τραυματική εγκεφαλοπάθεια που εμφανίζεται σε ποδοσφαιριστές μετά από τραύμα κεφαλής, φλοιοβασική εκφύλιση ή προοδευτική υπερπυρηνική παράλυση. Δημιουργήστε αυτο-πολλαπλασιαζόμενα θραύσματα tau που μπορούν να δημιουργήσουν τη δομή των ινιδίων και τη δυσλειτουργία της μοναδικής πρόσθιας πρόσθιας πρόσθιας πρόσθιας ταυτοπάθειας.

Ο Han είναι ο Mark and Nancy Ratner Καθηγητής Χημείας στο Neeinberg College of Arts and Sciences του Northwestern και μέλος του Institute for the Chemistry of Life Processes, Applied Physics Graduate Program, International Institute of Nanotechnology, Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy, and Research Institute for Quanterum. Michael Vigers, πρώην Ph.D. Φοιτητής στο εργαστήριο του Χανς ηγήθηκε της μελέτης και είναι ο πρώτος συγγραφέας. Στους συγγραφείς του UC Santa Barbara περιλαμβάνονται οι Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea και M. Scott Shell. Η εργασία έγινε επίσης δυνατή από αρκετούς φοιτητές και μεταδιδακτορικούς υποτρόφους, συμπεριλαμβανομένων των Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose και Andrew P. Longhini.

Μια αλυσιδωτή αντίδραση λανθασμένων πτυχών

Σε πολλές νευροεκφυλιστικές ασθένειες, οι πρωτεΐνες αναδιπλώνονται σε επιβλαβή, εξαιρετικά διατεταγμένα ινίδια που τελικά βλάπτουν την υγεία του εγκεφάλου, αλλά είναι δύσκολο να διαγνωστούν. Όταν μια κανονική πρωτεΐνη συναντά τα παθολογικά ινίδια ταυ, η φυσιολογική πρωτεΐνη αλλάζει για να συμμορφωθεί με το λανθασμένο σχήμα. Αυτή η διαδικασία οδηγεί σε μια αλυσιδωτή αντίδραση κατά την οποία όλο και περισσότερες πρωτεΐνες μετατρέπονται σε κακώς διπλωμένη κατάσταση συσσωμάτωσης. Αν και αυτή η συμπεριφορά μοιάζει με πριόν, δεν περιλαμβάνει πραγματικά πριόν, τα οποία μπορούν να μεταδώσουν μολυσματικές ασθένειες από άτομο σε άτομο.

Χρησιμοποιώντας κρυογονική ηλεκτρονική μικροσκοπία (cryo-EM), οι ερευνητές έλυσαν τη δομή των ινιδίων από δείγματα εγκεφαλικού ιστού. Αν και ο σχεδιασμός της δομής ήταν μια σημαντική ανακάλυψη, δείγματα εγκεφάλου μπορούν να ληφθούν μόνο μετά το θάνατο ενός ασθενούς. Παρά τη δραματική πρόοδο και το έντονο ενδιαφέρον σε αυτόν τον τομέα, η οριστική διάγνωση των νευροεκφυλιστικών νόσων που σχετίζονται με το TAU είναι δυνατή μόνο μετά το θάνατο.

Σήμερα, όταν οι άνθρωποι εμφανίζουν σημάδια νευροεκφυλιστικής νόσου, δεν διαγιγνώσκεται με βιοδείκτη. Οι γιατροί καθορίζουν τη διάγνωση χορηγώντας μια έρευνα ασθενών και εξετάζοντας μια συλλογή συμπτωμάτων όπως τα πρότυπα ύπνου και η μνήμη. Το σημείο συμφόρησης είναι η αξιόπιστη γενιά ινιδίων ταυ που ανασυνθέτουν τις κρίσιμες και μοναδικές ασθένειες για να χρησιμεύσουν ως στόχοι για την ανάπτυξη διαγνωστικών στρατηγικών. "

Songi Han, Πανεπιστήμιο Northwestern

Ένα απλοποιημένο μοντέλο

Για να αντιμετωπίσουν την τρέχουσα πρόκληση, η Han και η ομάδα της προσπάθησαν να αναπτύξουν μια συνθετική πρωτεΐνη tau που μοιάζει με πριόν. Αντί να αναδημιουργήσει ολόκληρο το μήκος της πρωτεΐνης, το οποίο είναι μακρύ και δυσκίνητο, η ομάδα του Χαν στόχευσε να προσδιορίσει το πιο κοντό κομμάτι ταυ που θα μπορούσε ακόμα να πάρει ένα λανθασμένο σχήμα και να σχηματίσει ινίδια που μοιάζουν με ασθένεια.

Τελικά, η Han και η ομάδα της εστίασαν σε ένα σύντομο τμήμα ταυ, που ονομάζεται JR2R3, το οποίο έχει μήκος μόλις 19 τμήματα αμινοξέων. Το τμήμα περιέχει μια μετάλλαξη που ονομάζεται P301L, η οποία βρίσκεται συνήθως σε πολλές ασθένειες. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό το κοντό πεπτίδιο θα μπορούσε να σχηματίσει τα επιβλαβή ινίδια που είναι το χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτών των ασθενειών, λειτουργώντας ως «σπόρος» για τη διαμερισματοποίηση της λανθασμένης αναδίπλωσης και της συσσωμάτωσης των πρωτεϊνών tau πλήρους μήκους.

«Φτιάξαμε μια μίνι έκδοση που είναι πιο εύκολο να ελεγχθεί», είπε ο Han. "Αλλά κάνει τα ίδια πράγματα με την πλήρους μήκους έκδοση. Σπόροι και αναγκάζουν την κανονική πρωτεΐνη ταυ να αναδιπλώνει σωστά τα ινίδια και να δεσμεύεται μεταξύ τους."

Η ομάδα χρησιμοποίησε το cryo-EM για να εξετάσει τη δομή των συνθετικών ινιδίων. Διαπίστωσαν ότι η μετάλλαξη P301L διευκολύνει έναν συγκεκριμένο τύπο λανθασμένης αναδίπλωσης που παρατηρείται συνήθως σε δείγματα ασθενών με νευροεκφυλισμό. Το εύρημα υποδηλώνει ότι η μετάλλαξη παίζει κρίσιμο ρόλο στην κατεύθυνση της πρωτεΐνης σε λάθος αναδίπλωση.

Το σχήμα του νερού

Ο Han θέλησε στη συνέχεια να καταλάβει πώς οι αρχικά διαταραγμένες πρωτεΐνες tau γίνονται δομές ινιδίων υψηλής τάξης. Παρομοίασε το μυστηριώδες φαινόμενο με το να πετάει μαζί σκέλη από χαλαρά μακαρόνια και να περιμένει να σχηματίσουν έναν τακτοποιημένο σωρό.

«Είναι αδύνατο μια εγγενώς διαταραγμένη πρωτεΐνη να πέσει φυσικά σε μια τέλεια πτυχή και στοίβα που μπορεί να αναγεννηθεί για πάντα», είπε ο Han. «Δεν έχει νόημα».

Αφού υπέθεσε ότι κάτι πρέπει να συγκρατεί τις λανθασμένες πρωτεΐνες μαζί, ο Han βρήκε το κλειδί: το νερό. Το περιβάλλον που περιβάλλει μια πρωτεΐνη, ιδιαίτερα τα μόρια του νερού, παίζουν καθοριστικό ρόλο στην αναδίπλωση και τη συσσώρευση πρωτεϊνών. Η μετάλλαξη P301L φαίνεται να μεταβάλλει άμεσα τη δομή της πρωτεΐνης tau και να μεταβάλλει τη συμπεριφορά των μορίων του νερού γύρω της.

«Το νερό είναι ένα υγρό μόριο, αλλά εξακολουθεί να έχει δομή», είπε ο Han. "Η μετάλλαξη στο πεπτίδιο θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια πιο δομημένη διάταξη μορίων νερού γύρω από τη θέση μετάλλαξης. Αυτό το δομημένο νερό επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο το πεπτίδιο αλληλεπιδρά με άλλα μόρια και τα ομαδοποιεί μαζί."

Με άλλα λόγια, το οργανωμένο νερό κολλάει τις πρωτεΐνες μεταξύ τους και επιτρέπει σε μεμονωμένους κλώνους να συνδέονται μεταξύ τους σε ένα τακτοποιημένο σωρό. Τα ινίδια στη συνέχεια χρησιμοποιούν τη συμπεριφορά τους που μοιάζει με πριόν για να στρατολογήσουν άλλες πρωτεΐνες για να κατακρημνιστούν και να ενωθούν με τη στοίβα.

Τι ακολουθεί;

Η ερευνητική ομάδα εστιάζει τώρα στον περαιτέρω χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων των συνθετικών πρωτεϊνών που μοιάζουν με πριόν. Τελικά, σχεδιάζουν να διερευνήσουν πιθανές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης νέων διαγνωστικών και θεραπευτικών προσεγγίσεων για ασθένειες που σχετίζονται με το TAU.

«Μόλις σχηματιστεί ένα ινίδιο ταυ, δεν εξαφανίζεται», είπε ο Χαν. "Θα αρπάξει το αφελές ταυ και θα το διπλώσει στο ίδιο σχήμα. Μπορεί να το κάνει για πάντα. Εάν καταφέρουμε να καταλάβουμε πώς να εμποδίσουμε αυτή τη δραστηριότητα, μπορούμε να αποκαλύψουμε νέους θεραπευτικούς παράγοντες."

Η μελέτη, «Ο σχεδιασμός του νερού είναι κλειδί για το σχηματισμό Tau Prion», υποστηρίχθηκε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (αριθμοί επιχορήγησης R01AG05605 και R35GM136411), την Deutsche Forschungsgemaft και το Ίδρυμα WM Keck.

Πηγές: