Sintetski tau protein otkriva važne uvide u pogrešno savijanje proteina i stvaranje fibrila

Sintetski tau protein otkriva važne uvide u pogrešno savijanje proteina i stvaranje fibrila

Znanstvenici sa Sveučilišta Northwestern i Kalifornijskog sveučilišta u Santa Barbari stvorili su prvi sintetski fragment tau proteina koji djeluje poput priona. “Mini-prion” se savija i slaže u niti (ili fibrile) krivo smotanih tau proteina, koji zatim prenose svoj abnormalno savijeni oblik drugim normalnim tau proteinima.

Pogrešno savijeni proteini slični prionima pokreću napredovanje tauopatija, skupine neurodegenerativnih bolesti – uključujući Alzheimerovu bolest – kroz abnormalno nakupljanje pogrešno savijenog tau proteina u mozgu. Proučavanjem minimalne, pune sintetičke verzije ljudskog taua, znanstvenici mogu bolje rekonstruirati fibrilnu strukturu koja sadrži krivo presavijene tau proteine. To bi potencijalno moglo dovesti do ciljanih dijagnostičkih i terapijskih alata koji su hitno potrebni za neurodegenerativne bolesti.

Tijekom razvoja sintetskog proteina, znanstvenici su također otkrili nove uvide u ulogu vode oko površine proteina u vođenju procesa pogrešnog savijanja. Mutacija koja se obično koristi za modeliranje bolesti povezanih s TAU suptilno mijenja dinamičku strukturu vode u okolišu koji neposredno okružuje tau protein, otkrili su istraživači. Ova promijenjena struktura vode utječe na sposobnost proteina da preuzme svoj abnormalni oblik.

Studija će biti objavljena u tjednu koji počinje 28. travnjaProceedings of this National Academy of Sciences.

"Opseg neurodegenerativnih bolesti koje uključuju protein tau je posebno širok", rekao je Songi Han iz Northwesterna, koji je vodio studiju. "To uključuje kroničnu traumatsku encefalopatiju koja se javlja kod nogometaša nakon traume glave, kortikobazalne degeneracije ili progresivne supernuklearne paralize. Generirajte samopropagirajuće tau fragmente koji mogu proizvesti fibrilnu strukturu i kvar jedinstvene prednje prednje prednje prednje tauopatije.

Han je profesor kemije Marka i Nancy Ratnera na Northwestern Koledžu za umjetnost i znanost Neeinberg i član Instituta za kemiju životnih procesa, diplomskog programa primijenjene fizike, Međunarodnog instituta za nanotehnologiju, Instituta za održivost i energiju Paula M. Trienens i Instituta za istraživanje i inženjerstvo kvantnih informacija. Michael Vigers, bivši dr.sc. Student u Hansovom laboratoriju vodio je studiju i prvi je autor. Koautori UC Santa Barbara su Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea i M. Scott Shell. Rad je također omogućilo nekoliko studenata i postdoktoranda, uključujući Saeeda Najafija, Samuela Loboa, Karen Tsay, Austina Dubosea i Andrewa P. Longhinija.

Lančana reakcija netočnih nabora

U mnogim neurodegenerativnim bolestima, proteini se savijaju u štetne, visoko uređene fibrile koje u konačnici oštećuju zdravlje mozga, ali ih je teško dijagnosticirati. Kada normalni protein naiđe na patološke tau fibrile, normalni protein se mijenja kako bi se prilagodio krivo presavijenom obliku. Ovaj proces dovodi do lančane reakcije u kojoj se sve više i više proteina pretvara u pogrešno savijeno agregacijsko stanje. Iako je ovo ponašanje slično prionima, ono ne uključuje stvarne prione, koji mogu prenijeti zarazne bolesti s osobe na osobu.

Koristeći kriogenu elektronsku mikroskopiju (cryo-EM), istraživači su riješili strukturu fibrila iz uzoraka moždanog tkiva. Iako je dizajn strukture bio značajan napredak, uzorci mozga mogu se dobiti tek nakon pacijentove smrti. Unatoč dramatičnom napretku i velikom interesu za ovo područje, konačna dijagnoza neurodegenerativnih bolesti povezanih s TAU moguća je tek nakon smrti.

Danas, kada ljudi pokazuju znakove neurodegenerativne bolesti, ona se ne dijagnosticira biomarkerom. Liječnici utvrđuju dijagnozu provođenjem ankete pacijenta i ispitivanjem skupa simptoma kao što su obrasci spavanja i pamćenje. Usko grlo je pouzdano stvaranje tau fibrila koje rekonstituiraju kritične i jedinstvene bolesti koje služe kao mete za razvoj dijagnostičkih strategija. “

Songi Han, Sveučilište Northwestern

Pojednostavljeni model

Kako bi odgovorili na trenutni izazov, Han i njezin tim nastojali su razviti sintetski tau protein sličan prionu. Umjesto ponovnog stvaranja cijele duljine proteina, koji je dugačak i nezgrapan, Hanov tim je imao za cilj odrediti najkraći komad taua koji još uvijek može poprimiti krivo presavijeni oblik i formirati fibrile slične bolestima.

Naposljetku, Han i njezin tim usredotočili su se na kratki segment taua, nazvan JR2R3, koji je dugačak samo 19 segmenata aminokiselina. Segment sadrži mutaciju nazvanu P301L, koja se često nalazi u mnogim bolestima. Istraživači su otkrili da ovaj kratki peptid može formirati štetne fibrile koji su obilježje ovih bolesti, djelujući kao "sjeme" za razdvajanje pogrešnog savijanja i agregacije tau proteina pune duljine.

"Napravili smo mini verziju koju je lakše kontrolirati", rekao je Han. "Ali radi sve iste stvari kao i verzija pune dužine. Oni stvaraju sjemenke i uzrokuju da normalni tau protein pogrešno savije fibrile i poveže se."

Tim je koristio cryo-EM kako bi ispitao strukturu sintetičkih vlakana. Otkrili su da mutacija P301L olakšava specifičnu vrstu pogrešnog savijanja koja se obično opaža u uzorcima pacijenata s neurodegeneracijom. Otkriće sugerira da mutacija igra ključnu ulogu u usmjeravanju proteina u pogrešno savijanje.

Oblik vode

Han je zatim želio razumjeti kako inicijalno neuređeni tau proteini postaju visoko uređene fibrilne strukture. Tajanstveni fenomen usporedila je s bacanjem niti mlitavih špageta i očekivanjem da će formirati urednu hrpu.

"Nemoguće je da bi intrinzično neuređeni protein prirodno pao u savršeno savijanje i hrpu koja se može zauvijek regenerirati", rekao je Han. – Nema smisla.

Nakon što je postavio hipotezu da nešto drži krivo smotane proteine ​​zajedno, Han je pronašao ključ: vodu. Okolina koja okružuje protein, posebno molekule vode, igra ključnu ulogu u savijanju i agregaciji proteina. Čini se da mutacija P301L izravno mijenja strukturu tau proteina i mijenja ponašanje molekula vode oko njega.

"Voda je tekuća molekula, ali još uvijek ima strukturu", rekao je Han. "Mutacija u peptidu mogla bi rezultirati strukturiranijim rasporedom molekula vode oko mjesta mutacije. Ova strukturirana voda utječe na način na koji peptid djeluje s drugim molekulama i grupira ih zajedno."

Drugim riječima, organizirana voda spaja proteine ​​zajedno i omogućuje pojedinačnim nitima da se povežu u urednu hrpu. Fibrile zatim koriste svoje ponašanje slično prionima kako bi regrutirale druge proteine ​​da se talože i pridruže nizu.

Što je sljedeće?

Istraživački tim sada se usredotočuje na daljnju karakterizaciju svojstava sintetskih proteina sličnih prionima. U konačnici, planiraju istražiti potencijalne primjene, uključujući razvoj novih dijagnostičkih i terapijskih pristupa za bolesti povezane s TAU.

"Jednom kad se tau fibril formira, ne nestaje", rekao je Han. "Zgrabit će naivni tau i saviti ga u isti oblik. To može činiti zauvijek i zauvijek. Ako možemo shvatiti kako blokirati ovu aktivnost, možemo otkriti nove terapeutske agense."

Studiju, "Dizajn vode ključan je za formiranje Tau Priona", podržali su Nacionalni instituti za zdravlje (brojevi grantova R01AG05605 i R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft i Zaklada WM Keck.

Izvori: