La proteina tau sintetica rivela importanti informazioni sul misfolding delle proteine ​​e sulla formazione di fibrille

La proteina tau sintetica rivela importanti informazioni sul misfolding delle proteine ​​e sulla formazione di fibrille

Gli scienziati della Northwestern University e dell'Università della California, a Santa Barbara, hanno creato il primo frammento sintetico della proteina tau che agisce come un prione. Il “mini-prione” si ripiega e si accumula in filamenti (o fibrille) di proteine ​​tau mal ripiegate, che poi trasmettono la loro forma ripiegata in modo anomalo ad altre proteine ​​tau normali.

Le proteine ​​simili ai prioni mal ripiegate guidano la progressione delle tauopatie, un gruppo di malattie neurodegenerative – incluso il morbo di Alzheimer – attraverso l'accumulo anormale di proteina tau mal ripiegata nel cervello. Studiando una versione sintetica minima e completa della tau umana, gli scienziati possono ricreare meglio la struttura delle fibrille che contiene proteine ​​tau mal ripiegate. Ciò potrebbe potenzialmente portare a strumenti diagnostici e terapeutici mirati che sono urgentemente necessari per le malattie neurodegenerative.

Durante lo sviluppo della proteina sintetica, gli scienziati hanno anche rivelato nuove conoscenze sul ruolo dell'acqua attorno alla superficie della proteina nel guidare il processo di misfolding. I ricercatori hanno scoperto che una mutazione comunemente usata per modellare le malattie legate al TAU altera sottilmente la struttura dinamica dell’acqua nell’ambiente immediatamente circostante la proteina tau. Questa struttura dell'acqua alterata influisce sulla capacità della proteina di assumere la sua forma anormale.

Lo studio sarà pubblicato nella settimana del 28 aprileAtti di questa Accademia Nazionale delle Scienze.

“La portata delle malattie neurodegenerative che coinvolgono la proteina tau è particolarmente ampia”, ha affermato Songi Han della Northwestern, che ha guidato lo studio. "Include l'encefalopatia traumatica cronica che si verifica nei giocatori di football dopo un trauma cranico, degenerazione corticobasale o paralisi supernucleare progressiva. Genera frammenti tau autopropaganti che possono produrre la struttura fibrillare e il malfunzionamento dell'esclusiva tauopatia anteriore anteriore anteriore anteriore.

Han è Mark e Nancy Ratner professore di chimica al Neeinberg College of Arts and Sciences della Northwestern e membro dell'Istituto per la chimica dei processi vitali, del programma di laurea in fisica applicata, dell'Istituto internazionale di nanotecnologia, dell'Istituto Paula M. Trienens per la sostenibilità e l'energia e dell'Istituto per la ricerca e l'ingegneria dell'informazione quantistica. Michael Vigers, ex dottorato di ricerca. Uno studente del laboratorio di Hans ha condotto lo studio ed è il primo autore. I coautori dell'UC Santa Barbara includono Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea e M. Scott Shell. Il lavoro è stato reso possibile anche da diversi studenti e borsisti post-dottorato, tra cui Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose e Andrew P. Longhini.

Una reazione a catena di pieghe errate

In molte malattie neurodegenerative, le proteine ​​si ripiegano in fibrille dannose e altamente ordinate che alla fine danneggiano la salute del cervello ma sono difficili da diagnosticare. Quando una proteina normale incontra le fibrille tau patologiche, la proteina normale cambia per conformarsi alla forma mal ripiegata. Questo processo porta ad una reazione a catena in cui sempre più proteine ​​si trasformano nello stato di aggregazione mal ripiegato. Sebbene questo comportamento sia simile a quello dei prioni, non coinvolge i prioni veri e propri, che possono diffondere malattie infettive da persona a persona.

Utilizzando la microscopia elettronica criogenica (crio-EM), i ricercatori hanno risolto la struttura delle fibrille da campioni di tessuto cerebrale. Sebbene la progettazione della struttura abbia rappresentato un progresso significativo, i campioni cerebrali possono essere ottenuti solo dopo la morte del paziente. Nonostante i notevoli progressi e l’intenso interesse in quest’area, la diagnosi definitiva delle malattie neurodegenerative legate al TAU è possibile solo dopo la morte.

Oggi, quando le persone mostrano segni di una malattia neurodegenerativa, non viene diagnosticata con un biomarcatore. I medici determinano la diagnosi somministrando un sondaggio al paziente ed esaminando una serie di sintomi come il sonno e la memoria. Il collo di bottiglia è la generazione affidabile di fibrille tau che ricostituiscono le malattie critiche e uniche per fungere da bersagli per lo sviluppo di strategie diagnostiche. “

Songi Han, Università Nordoccidentale

Un modello semplificato

Per affrontare la sfida attuale, Han e il suo team hanno cercato di sviluppare una proteina tau sintetica, simile al prione. Invece di ricreare l'intera lunghezza della proteina, che è lunga e ingombrante, il team di Han mirava a determinare il pezzo più corto di tau che potesse ancora assumere una forma mal ripiegata e formare fibrille simili a malattie.

Alla fine, Han e il suo team si sono concentrati su un breve segmento di tau, chiamato JR2R3, lungo solo 19 segmenti di amminoacidi. Il segmento contiene una mutazione chiamata P301L, che si trova comunemente in molte malattie. I ricercatori hanno scoperto che questo breve peptide potrebbe formare le fibrille dannose che sono il segno distintivo di queste malattie, agendo come un “seme” per compartimentare il ripiegamento errato e l’aggregazione delle proteine ​​tau a lunghezza intera.

"Abbiamo realizzato una versione mini che è più facile da controllare", ha detto Han. "Ma fa le stesse cose della versione integrale. Si seminano e fanno sì che la normale proteina tau si ripieghi male nelle fibrille e si leghi insieme."

Il team ha utilizzato la crio-EM per esaminare la struttura delle fibrille sintetiche. Hanno scoperto che la mutazione P301L facilita un tipo specifico di ripiegamento errato che viene comunemente osservato nei campioni di pazienti con neurodegenerazione. La scoperta suggerisce che la mutazione gioca un ruolo cruciale nel dirigere la proteina verso un ripiegamento errato.

La forma dell'acqua

Han poi voleva capire come le proteine ​​tau inizialmente disordinate diventano strutture fibrillare altamente ordinate. Ha paragonato il misterioso fenomeno al gettare insieme fili di spaghetti molli e aspettarsi che formino una pila ordinata.

"È impossibile che una proteina intrinsecamente disordinata cada naturalmente in una piega e in un impilamento perfetti in grado di rigenerarsi per sempre", ha detto Han. "Non ha senso."

Dopo aver ipotizzato che qualcosa dovesse tenere insieme le proteine ​​mal ripiegate, Han ha trovato la chiave: l’acqua. L'ambiente che circonda una proteina, in particolare le molecole d'acqua, svolgono un ruolo cruciale nel ripiegamento e nell'aggregazione delle proteine. La mutazione P301L sembra alterare direttamente la struttura della proteina tau e alterare il comportamento delle molecole d'acqua attorno ad essa.

"L'acqua è una molecola liquida, ma ha ancora una struttura", ha detto Han. "La mutazione nel peptide potrebbe comportare una disposizione più strutturata delle molecole d'acqua attorno al sito della mutazione. Quest'acqua strutturata influenza il modo in cui il peptide interagisce con altre molecole e le raggruppa insieme."

In altre parole, l’acqua organizzata tiene insieme le proteine ​​e consente ai singoli filamenti di legarsi insieme in una pila ordinata. Le fibrille usano quindi il loro comportamento simile ai prioni per reclutare altre proteine ​​per precipitare e unirsi alla pila.

Qual è il prossimo passo?

Il gruppo di ricerca si sta ora concentrando sulla caratterizzazione ulteriore delle proprietà delle proteine ​​sintetiche simili ai prioni. Infine, intendono studiare le potenziali applicazioni, compreso lo sviluppo di nuovi approcci diagnostici e terapeutici per le malattie legate al TAU.

"Una volta che si forma una fibrilla tau, non scompare", ha detto Han. "Afferrerà il tau ingenuo e lo piegherà nella stessa forma. Può farlo per sempre. Se riusciamo a capire come bloccare questa attività, possiamo scoprire nuovi agenti terapeutici."

Lo studio, “Water Design is Key to Tau Prion Formation”, è stato sostenuto dal National Institutes of Health (numeri di sovvenzione R01AG05605 e R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft e WM Keck Foundation.

Fonti: