Synteettinen tau-proteiini paljastaa tärkeitä oivalluksia proteiinien väärinlaskostumisesta ja fibrillien muodostumisesta

Synteettinen tau-proteiini paljastaa tärkeitä oivalluksia proteiinien väärinlaskostumisesta ja fibrillien muodostumisesta

Northwestern Universityn ja Santa Barbaran Kalifornian yliopiston tutkijat ovat luoneet tau-proteiinin ensimmäisen synteettisen fragmentin, joka toimii prionin tavoin. "Mini-prioni" taittuu ja pinoutuu väärin laskostuneiden tau-proteiinien säikeiksi (tai fibrilleiksi), jotka sitten välittävät epänormaalisti laskostuneen muotonsa muille normaaleille tau-proteiineille.

Väärin laskostuneet prionin kaltaiset proteiinit edistävät tauopatioiden, ryhmän hermostoa rappeuttavia sairauksia – mukaan lukien Alzheimerin tauti – etenemistä väärin laskostuneen tau-proteiinin epänormaalin kertymisen kautta aivoihin. Tutkimalla minimaalista, täyspitkää synteettistä versiota ihmisen tau:sta, tutkijat voivat paremmin luoda uudelleen fibrillirakenteen, joka sisältää väärin laskostuneita tau-proteiineja. Tämä voisi mahdollisesti johtaa kohdennettuihin diagnostisiin ja terapeuttisiin työkaluihin, joita tarvitaan kiireellisesti neurodegeneratiivisten sairauksien hoidossa.

Synteettisen proteiinin kehittämisen aikana tutkijat paljastivat myös uusia oivalluksia proteiinin pinnan ympärillä olevan veden roolista väärinlaskostumisprosessin ohjaamisessa. Mutaatio, jota käytetään yleisesti TAU:hen liittyvien sairauksien mallintamiseen, muuttaa hienovaraisesti veden dynaamista rakennetta tau-proteiinia välittömästi ympäröivässä ympäristössä, tutkijat havaitsivat. Tämä muuttunut veden rakenne vaikuttaa proteiinin kykyyn omaksua epänormaali muoto.

Tutkimus julkaistaan ​​viikolla 28. huhtikuutaProceedings of this National Academy of Sciences.

"Tau-proteiiniin liittyvien neurodegeneratiivisten sairauksien laajuus on erityisen laaja", sanoi tutkimusta johtanut Northwesternin Songi Han. "Se sisältää kroonisen traumaattisen enkefalopatian, jota esiintyy jalkapalloilijoiden päävamman, kortikobasaalisen rappeuman tai progressiivisen supernukleaarisen halvauksen jälkeen. Luo itseään leviäviä tau-fragmentteja, jotka voivat aiheuttaa ainutlaatuisen anterior anterior anterior anterior tauopatian fibrillirakenteen ja toimintahäiriön.

Han on Mark ja Nancy Ratnerin kemian professori Northwesternin Neeinberg College of Arts and Sciences -yliopistossa ja jäsenenä Institute for the Chemistry of Life Processesissa, Applied Physics Graduate Programissa, Kansainvälisessä nanoteknologiainstituutissa, Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energyssa ja Institute for Quantum Information Research and Engineeringissa. Michael Vigers, entinen Ph.D. Hansin laboratorion opiskelija johti tutkimusta ja on ensimmäinen kirjoittaja. UC Santa Barbaran kirjoittajia ovat Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea ja M. Scott Shell. Työn mahdollistivat myös useat opiskelijat ja tohtoritutkijat, mukaan lukien Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose ja Andrew P. Longhini.

Väärien poimujen ketjureaktio

Monissa neurodegeneratiivisissa sairauksissa proteiinit laskostuvat haitallisiksi, erittäin järjestetyiksi fibrilleiksi, jotka lopulta vahingoittavat aivojen terveyttä, mutta joita on vaikea diagnosoida. Kun normaali proteiini kohtaa patologiset tau-fibrillit, normaali proteiini muuttuu mukautumaan väärin laskostuneeseen muotoon. Tämä prosessi johtaa ketjureaktioon, jossa yhä useammat proteiinit muuttuvat väärin laskostuneeseen aggregaatiotilaan. Vaikka tämä käyttäytyminen on prionin kaltaista, se ei sisällä todellisia prioneja, jotka voivat levittää tartuntatauteja ihmisestä toiseen.

Kryogeenisen elektronimikroskopian (cryo-EM) avulla tutkijat ratkaisivat fibrillien rakenteen aivokudosnäytteistä. Vaikka rakenteen suunnittelu oli merkittävä läpimurto, aivonäytteitä voidaan saada vasta potilaan kuoleman jälkeen. Huolimatta dramaattisesta edistyksestä ja voimakkaasta kiinnostuksesta tätä aluetta kohtaan, TAU:hun liittyvien hermoston rappeutumissairauksien lopullinen diagnoosi on mahdollista vasta kuoleman jälkeen.

Nykyään, kun ihmisillä on merkkejä neurodegeneratiivisesta sairaudesta, sitä ei diagnosoida biomarkkerilla. Lääkärit määrittävät diagnoosin suorittamalla potilastutkimuksen ja tutkimalla kokoelman oireita, kuten unirytmiä ja muistia. Pullonkaula on luotettava tau-fibrillien sukupolvi, joka muodostaa kriittiset ja ainutlaatuiset sairaudet uudelleen diagnostisten strategioiden kehittämisen kohteina. "

Songi Han, Northwestern University

Yksinkertaistettu malli

Vastatakseen nykyiseen haasteeseen Han ja hänen tiiminsä pyrkivät kehittämään synteettistä, prionin kaltaista tau-proteiinia. Sen sijaan, että Hanin ryhmä olisi luonut uudelleen koko pituisen proteiinin, joka on pitkä ja raskas, Hanin tiimi pyrki määrittämään lyhimmän tau-palan, joka voisi silti ottaa väärin taittuneen muodon ja muodostaa sairauden kaltaisia ​​fibrillejä.

Lopulta Han ja hänen tiiminsä keskittyivät lyhyeen tau-segmenttiin, nimeltään JR2R3, joka on vain 19 aminohapposegmenttiä pitkä. Segmentti sisältää mutaation nimeltä P301L, jota esiintyy yleisesti monissa sairauksissa. Tutkijat havaitsivat, että tämä lyhyt peptidi voi muodostaa vaurioittavia fibrillejä, jotka ovat näiden sairauksien tunnusmerkki, toimien "siemenenä" täyspitkien tau-proteiinien väärinlaskostumisen ja aggregaation eristämiseksi.

"Teimme miniversion, jota on helpompi hallita", Han sanoi. "Mutta se tekee kaikki samat asiat kuin täyspitkä versio. Ne kylvävät ja saavat normaalin tau-proteiinin laskostamaan fibrillit väärin ja sitoutumaan toisiinsa."

Ryhmä käytti kryo-EM:ää tutkiakseen synteettisten fibrillien rakennetta. He havaitsivat, että P301L-mutaatio helpottaa tietyntyyppistä laskostumista, jota havaitaan yleisesti neurodegeneraatiopotilaiden näytteissä. Havainto viittaa siihen, että mutaatiolla on ratkaiseva rooli proteiinin ohjaamisessa väärinlaskostumiseen.

Veden muoto

Han halusi seuraavaksi ymmärtää, kuinka alun perin häiriintyneistä tau-proteiineista tulee erittäin järjestyneitä fibrillirakenteita. Hän vertasi mystistä ilmiötä velttoisten spagettipaalujen heittämiseen yhteen ja odottamiseen, että niistä muodostuu siisti kasa.

"On mahdotonta, että luonnostaan ​​häiriintynyt proteiini putoaisi luonnollisesti täydelliseen laskostukseen ja pinoon, joka voi uusiutua ikuisesti", Han sanoi. "Ei siinä ole mitään järkeä."

Olettaen, että jonkin täytyy pitää väärin laskostuneet proteiinit yhdessä, Han löysi avaimen: veden. Proteiinia ympäröivällä ympäristöllä, erityisesti vesimolekyylillä, on ratkaiseva rooli proteiinien laskostumisessa ja aggregaatiossa. P301L-mutaatio näyttää muuttavan suoraan tau-proteiinin rakennetta ja sen ympärillä olevien vesimolekyylien käyttäytymistä.

"Vesi on nestemäinen molekyyli, mutta sillä on silti rakenne", Han sanoi. "Peptidissä oleva mutaatio voisi johtaa vesimolekyylien rakenteellisempaan järjestykseen mutaatiokohdan ympärillä. Tämä rakenteellinen vesi vaikuttaa siihen, miten peptidi on vuorovaikutuksessa muiden molekyylien kanssa ja ryhmittelee ne yhteen."

Toisin sanoen organisoitu vesi kiinnittää proteiinit yhteen ja antaa yksittäisten säikeiden sitoutua yhteen siistiksi kasaksi. Fibrillit käyttävät sitten prionien kaltaista käyttäytymistään värvätäkseen muita proteiineja saostumaan ja liittymään pinoon.

Mitä seuraavaksi?

Tutkimusryhmä keskittyy nyt luonnehtimaan edelleen synteettisten prionien kaltaisten proteiinien ominaisuuksia. Lopulta he aikovat tutkia mahdollisia sovelluksia, mukaan lukien uusien diagnostisten ja terapeuttisten lähestymistapojen kehittäminen TAU:hin liittyviin sairauksiin.

"Kun tau-fibrilli on muodostunut, se ei katoa", Han sanoi. "Se nappaa naiivin taun ja taittaa sen samaan muotoon. Se voi tehdä tämän ikuisesti ja ikuisesti. Jos voimme selvittää, kuinka estää tämä toiminta, voimme löytää uusia terapeuttisia aineita."

Tutkimusta "Water Design is Key to Tau Prion Formation" tukivat National Institutes of Health (apurahanumerot R01AG05605 ja R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft ja WM Keck Foundation.

Lähteet: