A szintetikus tau-protein fontos betekintést enged a fehérje hibás hajtogatására és a rostok képződésére

A szintetikus tau-protein fontos betekintést enged a fehérje hibás hajtogatására és a rostok képződésére

A Northwestern Egyetem és a Santa Barbarai Kaliforniai Egyetem tudósai létrehozták a tau fehérje első szintetikus fragmentumát, amely prionként működik. A „mini-prion” hibásan hajtogatott tau-fehérjék szálaiba (vagy fibrilláiba) gyűrődik és halmozódik fel, amelyek aztán abnormálisan hajtogatott formájukat továbbítják más normál tau-fehérjéknek.

A hibásan hajtogatott prionszerű fehérjék elősegítik a tauopathiák, a neurodegeneratív betegségek – köztük az Alzheimer-kór – progresszióját azáltal, hogy a hibásan hajtogatott tau fehérje abnormálisan felhalmozódik az agyban. A humán tau minimális, teljes hosszúságú szintetikus változatának tanulmányozásával a tudósok jobban vissza tudják állítani a rosszul hajtogatott tau fehérjéket tartalmazó rostszerkezetet. Ez potenciálisan célzott diagnosztikai és terápiás eszközökhöz vezethet, amelyekre sürgősen szükség van a neurodegeneratív betegségekben.

A szintetikus fehérje kifejlesztése során a tudósok új meglátásokat tártak fel a fehérjefelszín körüli víz szerepével kapcsolatban a téves hajtogatási folyamat irányításában. A TAU-val kapcsolatos betegségek modellezésére általánosan használt mutáció finoman megváltoztatja a tau-fehérjét közvetlenül körülvevő környezetben lévő víz dinamikus szerkezetét – állapították meg a kutatók. Ez a megváltozott vízszerkezet befolyásolja a fehérje azon képességét, hogy felvegye abnormális alakját.

A tanulmány április 28-án jelenik megProceedings of this National Academy of Sciences.

"A tau fehérjét érintő neurodegeneratív betegségek hatóköre különösen széles" - mondta Songi Han, a Northwestern kutatója, a tanulmány vezetője. "Ebbe beletartozik a krónikus traumás encephalopathia, amely a futballistáknál fejsérülés, corticobasalis degeneráció vagy progresszív szupernukleáris bénulás után fordul elő. Önszaporodó tau-fragmensek létrehozása, amelyek előidézhetik az egyedülálló elülső elülső elülső tauopathia rostszerkezetét és hibás működését.

Han Mark és Nancy Ratner kémiaprofesszor a Northwestern-i Neeinberg Művészeti és Tudományos Főiskolán, valamint tagja az Életfolyamatok Kémiai Intézetének, az Alkalmazott Fizikai Graduate Programnak, a Nemzetközi Nanotechnológiai Intézetnek, a Paula M. Trienens Fenntarthatósági és Energetikai Intézetnek, valamint az Institute for Quantum Information Research and Engineeringnek. Michael Vigers, egykori Ph.D. Hans laboratóriumának diákja vezette a tanulmányt, és ő az első szerző. Az UC Santa Barbara társszerzői közé tartozik Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea és M. Scott Shell. A munkát több hallgató és posztdoktori ösztöndíjas is lehetővé tette, köztük Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose és Andrew P. Longhini.

Helytelen hajtások láncreakciója

Számos neurodegeneratív betegségben a fehérjék káros, erősen rendezett rostokká hajtódnak össze, amelyek végső soron károsítják az agy egészségét, de nehéz diagnosztizálni. Amikor egy normál fehérje találkozik a kóros tau-szálakkal, a normál fehérje megváltozik, hogy megfeleljen a hibásan hajtogatott alaknak. Ez a folyamat egy láncreakcióhoz vezet, amelyben egyre több fehérje alakul át hibásan hajtogatott aggregációs állapotba. Bár ez a viselkedés prionszerű, nem jár tényleges prionokkal, amelyek fertőző betegségeket terjeszthetnek emberről emberre.

Kriogén elektronmikroszkóppal (cryo-EM) a kutatók agyszövetmintákból oldották meg a fibrillumok szerkezetét. Bár a szerkezet kialakítása jelentős áttörést hozott, agymintákat csak a beteg halála után lehet kapni. A drámai fejlődés és az e terület iránti intenzív érdeklődés ellenére a TAU-val összefüggő neurodegeneratív betegségek végleges diagnózisa csak a halál után lehetséges.

Ma, amikor az emberek egy neurodegeneratív betegség jeleit mutatják, azt nem diagnosztizálják biomarkerrel. Az orvosok úgy határozzák meg a diagnózist, hogy elvégzik a páciens felmérését, és megvizsgálják az olyan tüneteket, mint az alvási szokások és a memória. A szűk keresztmetszet a tau-fibrillumok megbízható generálása, amelyek helyreállítják a kritikus és egyedi betegségeket, hogy célpontként szolgáljanak a diagnosztikai stratégiák kidolgozásához. "

Songi Han, Északnyugati Egyetem

Egyszerűsített modell

A jelenlegi kihívás megoldására Han és csapata egy szintetikus, prionszerű tau-fehérje kifejlesztésére törekedett. Ahelyett, hogy a fehérje teljes hosszát, amely hosszú és nehézkes, újra létrehozták volna, Han csapata arra törekedett, hogy meghatározza a tau legrövidebb darabját, amely még mindig hibásan hajtogatott alakot tud felvenni, és betegségszerű rostokat képez.

Végül Han és csapata a tau egy rövid szegmensére, a JR2R3-ra összpontosított, amely mindössze 19 aminosav szegmensből áll. A szegmens egy P301L nevű mutációt tartalmaz, amely gyakran megtalálható számos betegségben. A kutatók azt találták, hogy ez a rövid peptid olyan káros rostokat képezhet, amelyek ezeknek a betegségeknek a jellemzői, és „magként” működnek a teljes hosszúságú tau-fehérjék hibás hajtogatásának és aggregációjának felosztásában.

„Készítettünk egy mini verziót, amely könnyebben irányítható” – mondta Han. "De ugyanazt csinálja, mint a teljes hosszúságú változat. Magokat vetnek ki, és a normál tau fehérjét tévesen hajtogatják össze a rostokban, és összekapcsolódnak."

A csapat krio-EM segítségével vizsgálta a szintetikus rostok szerkezetét. Azt találták, hogy a P301L mutáció elősegíti a hibás hajtogatás egy bizonyos típusát, amelyet gyakran megfigyelnek a neurodegenerációs betegek mintáiban. A felfedezés azt sugallja, hogy a mutáció döntő szerepet játszik a fehérje hibás hajtogatásának irányításában.

A víz alakja

Han ezután azt akarta megérteni, hogy a kezdetben rendezetlen tau-fehérjék hogyan válnak erősen rendezett rostszerkezetekké. A titokzatos jelenséget ahhoz hasonlította, hogy ernyedt spagettiszálakat dobnak össze, és azt várják, hogy szép kupacot képezzenek.

„Lehetetlen, hogy egy eleve rendezetlen fehérje természetesen olyan tökéletes redőbe és halomba kerüljön, amely örökké regenerálódik” – mondta Han. – Semmi értelme.

Miután azt feltételezte, hogy valami összetartja a rosszul hajtogatott fehérjéket, Han megtalálta a kulcsot: a víz. A fehérjét körülvevő környezet, különösen a vízmolekulák, döntő szerepet játszanak a fehérje feltekeredésében és aggregációjában. Úgy tűnik, hogy a P301L mutáció közvetlenül megváltoztatja a tau fehérje szerkezetét, és megváltoztatja a körülötte lévő vízmolekulák viselkedését.

"A víz folyékony molekula, de még mindig van szerkezete" - mondta Han. "A peptid mutációja a vízmolekulák strukturáltabb elrendeződését eredményezheti a mutációs hely körül. Ez a strukturált víz befolyásolja, hogy a peptid hogyan lép kölcsönhatásba más molekulákkal, és csoportosítja azokat."

Más szavakkal, a szervezett víz összeragasztja a fehérjéket, és lehetővé teszi, hogy az egyes szálak egy szép halomba kapcsolódjanak. A fibrillumok ezt követően prionszerű viselkedésükkel más fehérjéket toboroznak a kicsapódáshoz és a köteghez való csatlakozáshoz.

mi lesz ezután?

A kutatócsoport most a szintetikus prionszerű fehérjék tulajdonságainak további jellemzésére összpontosít. Végül azt tervezik, hogy megvizsgálják a lehetséges alkalmazásokat, beleértve a TAU-val kapcsolatos betegségek új diagnosztikai és terápiás megközelítéseinek kidolgozását.

"Ha egyszer kialakul egy tau-szál, az nem tűnik el" - mondta Han. "Megragadja a naiv tau-t, és ugyanabba a formába hajtja. Ezt örökkön-örökké megteheti. Ha kitaláljuk, hogyan blokkoljuk ezt a tevékenységet, új terápiás szereket fedezhetünk fel."

A „A víz tervezése kulcsfontosságú a Tau-prionok kialakulásához” című tanulmányt az Országos Egészségügyi Intézet (R01AG05605 és R35GM136411 támogatási szám), a Deutsche Forschungsgemaft és a WM Keck Alapítvány támogatta.

Források: