Sintetinis tau baltymas atskleidžia svarbias įžvalgas apie klaidingą baltymų susilankstymą ir fibrilių susidarymą

Sintetinis tau baltymas atskleidžia svarbias įžvalgas apie klaidingą baltymų susilankstymą ir fibrilių susidarymą

Šiaurės vakarų universiteto ir Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje mokslininkai sukūrė pirmąjį sintetinį tau baltymo fragmentą, kuris veikia kaip prionas. „Mini-prionas“ susilanksto ir kaupiasi į netinkamai susilankstytų tau baltymų sruogas (arba fibriles), kurios vėliau perduoda neįprastai sulankstytą formą kitiems normaliems tau baltymams.

Neteisingai susilankstę į prionus panašūs baltymai skatina tauopatijų, neurodegeneracinių ligų grupės, įskaitant Alzheimerio ligą, progresavimą, nes smegenyse nenormaliai kaupiasi netinkamai susilankstęs tau baltymas. Ištyrę minimalią viso ilgio sintetinę žmogaus tau versiją, mokslininkai gali geriau atkurti fibrilių struktūrą, kurioje yra klaidingai sulankstytų tau baltymų. Tai gali paskatinti tikslines diagnostikos ir gydymo priemones, kurių skubiai reikia neurodegeneracinėms ligoms gydyti.

Kurdami sintetinį baltymą, mokslininkai taip pat atskleidė naujų įžvalgų apie vandens, esančio aplink baltymo paviršių, vaidmenį nukreipiant klaidingo susilankstymo procesą. Mokslininkai nustatė, kad mutacija, dažniausiai naudojama su TAU susijusioms ligoms modeliuoti, subtiliai pakeičia dinaminę vandens struktūrą aplinkoje, supančiame tau baltymą. Ši pakitusi vandens struktūra daro įtaką baltymo gebėjimui įgyti neįprastą formą.

Tyrimas bus paskelbtas savaitę, balandžio 28 dŠios Nacionalinės mokslų akademijos darbai.

„Neurodegeneracinių ligų, susijusių su tau baltymu, sritis yra ypač plati“, – sakė tyrimui vadovavęs Northwestern Songi Hanas. "Ji apima lėtinę trauminę encefalopatiją, kuri atsiranda futbolininkams po galvos traumos, kortikobazinės degeneracijos ar progresuojančio superbranduolinio paralyžiaus. Generuoti savaime besidauginančius tau fragmentus, kurie gali sukelti unikalios priekinės priekinės priekinės priekinės tauopatijos fibrilių struktūrą ir sutrikimą.

Han yra Mark ir Nancy Ratner chemijos profesorius Northwestern's Neeinberg College of Arts and Sciences ir Gyvybės procesų chemijos instituto, Taikomosios fizikos studijų programos, Tarptautinio nanotechnologijų instituto, Paula M. Trienens tvarumo ir energijos instituto bei Kvantinės informacijos tyrimų ir inžinerijos instituto narys. Michaelas Vigersas, buvęs mokslų daktaras. Hanso laboratorijos studentas vadovavo tyrimui ir yra pirmasis autorius. UC Santa Barbara bendraautoriai yra Kennethas S. Kosik, Joan-Emma Shea ir M. Scott Shell. Darbą taip pat leido atlikti keli studentai ir doktorantūros stažuotojai, įskaitant Saeedą Najafi, Samuelį Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose ir Andrew P. Longhini.

Neteisingų raukšlių grandininė reakcija

Sergant daugeliu neurodegeneracinių ligų, baltymai susilanksto į kenksmingas, labai tvarkingas fibriles, kurios galiausiai pažeidžia smegenų sveikatą, tačiau jas sunku diagnozuoti. Kai normalus baltymas susiduria su patologinėmis tau fibrilėmis, normalus baltymas pasikeičia, kad atitiktų netinkamai sulankstytą formą. Šis procesas sukelia grandininę reakciją, kurios metu vis daugiau baltymų virsta netinkamai sulankstyta agregacijos būsena. Nors toks elgesys yra panašus į prionus, jis nėra susijęs su faktiniais prionais, kurie gali platinti infekcines ligas nuo žmogaus iki žmogaus.

Naudodami kriogeninę elektronų mikroskopiją (krio-EM), mokslininkai išsprendė fibrilių struktūrą iš smegenų audinio mėginių. Nors konstrukcijos dizainas buvo reikšmingas proveržis, smegenų mėginius galima gauti tik po paciento mirties. Nepaisant dramatiškos pažangos ir didelio susidomėjimo šia sritimi, galutinė su TAU susijusių neurodegeneracinių ligų diagnozė įmanoma tik po mirties.

Šiandien, kai žmonėms pasireiškia neurodegeneracinės ligos požymiai, biomarkeris nediagnozuojamas. Gydytojai nustato diagnozę atlikdami paciento apklausą ir ištyrę daugybę simptomų, tokių kaip miego modeliai ir atmintis. Kliūtis yra patikima tau fibrilių karta, kuri atkuria svarbiausias ir unikalias ligas, kad būtų galima naudoti kuriant diagnostikos strategijas. “

Songi Han, Šiaurės Vakarų universitetas

Supaprastintas modelis

Siekdama išspręsti dabartinį iššūkį, Han ir jos komanda siekė sukurti sintetinį į prioną panašų tau baltymą. Užuot atkūrę visą baltymo ilgį, kuris yra ilgas ir sunkus, Han komanda siekė nustatyti trumpiausią tau gabalėlį, kuris vis tiek galėtų įgauti netinkamą formą ir suformuoti į ligas panašias fibriles.

Galiausiai Han ir jos komanda sutelkė dėmesį į trumpą tau segmentą, vadinamą JR2R3, kuris yra tik 19 aminorūgščių segmentų. Segmente yra mutacija, vadinama P301L, kuri dažniausiai randama sergant daugeliu ligų. Tyrėjai išsiaiškino, kad šis trumpas peptidas gali sudaryti žalingas fibriles, kurios yra būdingas šių ligų požymis, veikdamas kaip „sėkla“, kuri suskirsto netinkamą viso ilgio tau baltymų susilankstymą ir agregaciją.

„Sukūrėme mini versiją, kurią lengviau valdyti“, – sakė Hanas. "Tačiau tai daro tą patį, ką ir viso ilgio versija. Jie sėja ir sukelia normalų tau baltymą, kad skaidulos klaidingai susilanksto ir susijungia."

Grupė naudojo krio-EM, kad ištirtų sintetinių fibrilių struktūrą. Jie nustatė, kad P301L mutacija palengvina tam tikro tipo klaidingą sulenkimą, kuris dažniausiai stebimas pacientų, sergančių neurodegeneracija, mėginiuose. Išvada rodo, kad mutacija atlieka lemiamą vaidmenį nukreipiant baltymą į klaidingą lankstymą.

Vandens forma

Tada Hanas norėjo suprasti, kaip iš pradžių netvarkingi tau baltymai tampa labai tvarkingomis fibrilinėmis struktūromis. Paslaptingą reiškinį ji palygino su suglebusių spagečių sruogelių sumetimu ir tikėjimu, kad jie sudarys tvarkingą krūvą.

„Neįmanoma, kad iš esmės netvarkingas baltymas natūraliai sukristų į tobulą klostę ir krūvą, kuri gali atsinaujinti amžinai“, – sakė Hanas. — Nėra prasmės.

Iškėlęs hipotezę, kad kažkas turi laikyti klaidingai susilanksčiusius baltymus kartu, Hanas rado raktą: vandenį. Baltymą supanti aplinka, ypač vandens molekulės, vaidina lemiamą vaidmenį baltymų sulankstymui ir agregacijai. Atrodo, kad P301L mutacija tiesiogiai pakeičia tau baltymo struktūrą ir aplink jį esančių vandens molekulių elgesį.

„Vanduo yra skysta molekulė, bet ji vis dar turi struktūrą“, - sakė Hanas. "Dėl peptido mutacijos gali susidaryti labiau struktūrizuotas vandens molekulių išsidėstymas aplink mutacijos vietą. Šis struktūrinis vanduo įtakoja, kaip peptidas sąveikauja su kitomis molekulėmis ir jas sugrupuoja."

Kitaip tariant, organizuotas vanduo sujungia baltymus ir leidžia atskiroms sruogoms susijungti į tvarkingą krūvą. Tada fibrilės naudoja savo prionų elgesį, kad įdarbintų kitus baltymus, kad jie nusodintų ir prisijungtų prie krūvos.

Kas toliau?

Mokslininkų komanda dabar sutelkia dėmesį į tolesnį sintetinių prionų tipo baltymų savybių apibūdinimą. Galiausiai jie planuoja ištirti galimus pritaikymus, įskaitant naujų diagnostikos ir gydymo metodų, susijusių su TAU susijusiomis ligomis, kūrimą.

„Kai susiformuoja tau fibrilė, ji neišnyksta“, – sakė Hanas. "Jis sugriebs naivią tau ir sulankstys ją į tą pačią formą. Tai gali daryti amžinai ir amžinai. Jei sugalvosime, kaip blokuoti šią veiklą, galime atrasti naujų terapinių priemonių."

Tyrimą „Vandens dizainas yra raktas į Tau prionų susidarymą“ rėmė Nacionaliniai sveikatos institutai (dotacijos numeriai R01AG05605 ir R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft ir WM Keck fondas.

Šaltiniai: