Sünteetiline tau-valk paljastab olulisi teadmisi valkude väära voltimise ja fibrillide moodustumise kohta

Sünteetiline tau-valk paljastab olulisi teadmisi valkude väära voltimise ja fibrillide moodustumise kohta

Northwesterni ülikooli ja Santa Barbara California ülikooli teadlased on loonud tau-valgu esimese sünteetilise fragmendi, mis toimib nagu prioon. "Mini-prioon" voltib ja kuhjub valesti volditud tau valkude ahelateks (või fibrillideks), mis seejärel edastavad oma ebanormaalselt volditud vormi teistele normaalsetele tau valkudele.

Valesti volditud prioonitaolised valgud soodustavad tauopaatiate, neurodegeneratiivsete haiguste rühma, sealhulgas Alzheimeri tõbe, progresseerumist valesti volditud tau-valgu ebanormaalse kuhjumise kaudu ajus. Uurides inimese tau minimaalset täispikka sünteetilist versiooni, saavad teadlased paremini taastada fibrillide struktuuri, mis sisaldab valesti volditud tau valke. See võib potentsiaalselt viia sihipäraste diagnostiliste ja terapeutiliste vahenditeni, mida on kiiresti vaja neurodegeneratiivsete haiguste korral.

Sünteetilise valgu väljatöötamise käigus avastasid teadlased ka uusi teadmisi valgu pinna ümber oleva vee rollist vale voltimisprotsessi juhtimisel. Teadlased leidsid, et mutatsioon, mida tavaliselt kasutatakse TAU-ga seotud haiguste modelleerimiseks, muudab peenelt vee dünaamilist struktuuri tau-valku vahetult ümbritsevas keskkonnas. See muutunud veestruktuur mõjutab valgu võimet omandada oma ebanormaalne kuju.

Uuring avaldatakse 28. aprilli nädalalSelle riikliku teaduste akadeemia toimetised.

"Tau-valguga seotud neurodegeneratiivsete haiguste ulatus on eriti lai," ütles uuringut juhtinud Northwesterni Songi Han. "See hõlmab kroonilist traumeerivat entsefalopaatiat, mis tekib jalgpalluritel pärast peatraumat, kortikobasaalset degeneratsiooni või progresseeruvat supernukleaarset halvatust. Looge isepaljunevaid tau fragmente, mis võivad tekitada ainulaadse eesmise eesmise eesmise tauopaatia fibrillide struktuuri ja talitlushäireid.

Han on Mark ja Nancy Ratneri keemiaprofessor Northwesterni Neeinbergi kunstide ja teaduste kolledžis ning eluprotsesside keemia instituudi, rakendusfüüsika kraadiõppe programmi, rahvusvahelise nanotehnoloogia instituudi, Paula M. Trienensi säästvuse ja energeetika instituudi ning kvantinformatsiooni uurimise ja inseneride instituudi liige. Michael Vigers, endine Ph.D. Hansu labori üliõpilane juhtis uuringut ja on esimene autor. UC Santa Barbara kaasautorite hulka kuuluvad Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea ja M. Scott Shell. Töö võimaldasid ka mitmed üliõpilased ja järeldoktorantuurid, sealhulgas Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose ja Andrew P. Longhini.

Ebaõigete voltide ahelreaktsioon

Paljude neurodegeneratiivsete haiguste korral voldivad valgud kahjulikeks, väga järjestatud fibrillideks, mis lõpuks kahjustavad aju tervist, kuid mida on raske diagnoosida. Kui normaalne valk puutub kokku patoloogiliste tau fibrillidega, muutub normaalne valk, et see vastaks valesti volditud kujule. See protsess viib ahelreaktsioonini, mille käigus üha rohkem valke muundub valesti volditud agregatsiooni olekusse. Kuigi see käitumine on prioonilaadne, ei hõlma see tegelikke prioone, mis võivad nakkushaigusi inimeselt inimesele levitada.

Krüogeense elektronmikroskoopia (cryo-EM) abil lahendasid teadlased ajukoe proovidest fibrillide struktuuri. Kuigi konstruktsiooni kujundus oli märkimisväärne läbimurre, saab ajuproove saada alles pärast patsiendi surma. Vaatamata dramaatilistele edusammudele ja intensiivsele huvile selle valdkonna vastu on TAU-ga seotud neurodegeneratiivsete haiguste lõplik diagnoosimine võimalik alles pärast surma.

Tänapäeval, kui inimestel ilmnevad neurodegeneratiivse haiguse tunnused, ei diagnoosita seda biomarkeriga. Arstid määravad diagnoosi, korraldades patsiendi uuringu ja uurides sümptomite kogumit, nagu unemustrid ja mälu. Kitsaskoht on tau fibrillide usaldusväärne põlvkond, mis taastavad kriitilised ja ainulaadsed haigused, et olla diagnostiliste strateegiate väljatöötamise sihtmärgid. “

Songi Han, Loodeülikool

Lihtsustatud mudel

Praeguse väljakutse lahendamiseks püüdsid Han ja tema meeskond välja töötada sünteetilist prioonitaolist tau valku. Selle asemel, et luua kogu valgu pikkus, mis on pikk ja kohmakas, püüdis Hani meeskond välja selgitada lühima tau-tüki, mis võiks siiski võtta valesti volditud kuju ja moodustada haigusetaolisi fibrillid.

Lõppkokkuvõttes keskendusid Han ja tema meeskond tau lühikesele segmendile JR2R3, mis on vaid 19 aminohappe segmenti pikk. Segment sisaldab mutatsiooni nimega P301L, mida tavaliselt leidub paljudes haigustes. Teadlased leidsid, et see lühike peptiid võib moodustada kahjustavaid fibrillid, mis on nende haiguste tunnuseks, toimides "seemnena", mis eraldab täispikkade tau-valkude valesti voltimise ja agregatsiooni.

"Tegime miniversiooni, mida on lihtsam juhtida, " ütles Han. "Kuid see teeb kõiki samu asju, mis täispikk versioon. Need külvavad ja põhjustavad normaalse tau-valgu fibrillide valesti voltimise ja omavahel sidumise."

Töörühm kasutas sünteetiliste fibrillide struktuuri uurimiseks krüo-EM-i. Nad leidsid, et P301L mutatsioon hõlbustab teatud tüüpi väärvoltimist, mida tavaliselt täheldatakse neurodegeneratsiooniga patsientide proovides. Leid viitab sellele, et mutatsioonil on ülioluline roll valgu väärvoltimise suunamisel.

Vee kuju

Järgmisena soovis Han mõista, kuidas algselt korrastamata tau-valgud muutuvad kõrgelt järjestatud fibrillstruktuurideks. Ta võrdles salapärast nähtust vedelate spagettide kokkuviskamisega ja lootusega, et need moodustavad korraliku hunniku.

"On võimatu, et olemuslikult korrastamata valk langeb loomulikult täiuslikku volti ja virna, mis võib igavesti taastuda," ütles Han. "Sellel pole mõtet."

Olles püstitanud hüpoteesi, et miski peab valesti volditud valke koos hoidma, leidis Han võtme: vesi. Valku ümbritsev keskkond, eriti veemolekulid, mängib valkude voltimisel ja agregatsioonil otsustavat rolli. Näib, et P301L mutatsioon muudab otseselt tau-valgu struktuuri ja muudab selle ümbritsevate veemolekulide käitumist.

"Vesi on vedel molekul, kuid sellel on siiski struktuur," ütles Han. "Peptiidi mutatsioon võib põhjustada veemolekulide struktureeritumat paigutust ümber mutatsioonikoha. See struktureeritud vesi mõjutab seda, kuidas peptiid suhtleb teiste molekulidega ja rühmitab need kokku."

Teisisõnu, organiseeritud vesi kleebib valgud kokku ja võimaldab üksikutel kiududel siduda kokku korralikuks hunnikuks. Seejärel kasutavad fibrillid oma prioonilaadset käitumist, et värvata teisi valke, et sadestuda ja virnaga liituda.

Mis saab edasi?

Uurimisrühm keskendub nüüd sünteetiliste prioonitaoliste valkude omaduste edasisele iseloomustamisele. Lõppkokkuvõttes kavatsevad nad uurida võimalikke rakendusi, sealhulgas uute diagnostiliste ja terapeutiliste lähenemisviiside väljatöötamist TAU-ga seotud haiguste jaoks.

"Kui tau fibrill on moodustunud, siis see ei kao," ütles Han. "See haarab naiivse tau ja voltib selle samasse kuju. Ta suudab seda teha igavesti ja igavesti. Kui suudame välja mõelda, kuidas seda tegevust blokeerida, saame avastada uusi raviaineid."

Uuringut "Veekujundus on Tau prioonide moodustumise võti" toetasid riiklikud tervishoiuinstituudid (toetusnumbrid R01AG05605 ja R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft ja WM Kecki sihtasutus.

Allikad: