Sintētiskais tau proteīns atklāj svarīgu ieskatu par olbaltumvielu nepareizu salocīšanu un fibrilu veidošanos

Sintētiskais tau proteīns atklāj svarīgu ieskatu par olbaltumvielu nepareizu salocīšanu un fibrilu veidošanos

Zinātnieki no Ziemeļrietumu universitātes un Kalifornijas universitātes Santabarbarā ir izveidojuši pirmo sintētisko tau proteīna fragmentu, kas darbojas kā prions. “Mini-prions” salokās un sakraujas nepareizi salocītu tau proteīnu pavedienos (vai fibrilās), kas pēc tam nodod savu neparasti salocītu formu uz citiem normāliem tau proteīniem.

Nepareizi salocīti prioniem līdzīgi proteīni veicina tauopātiju, neirodeģeneratīvu slimību grupas, tostarp Alcheimera slimības, progresēšanu, jo smadzenēs nenormāli uzkrājas nepareizi salocīts tau proteīns. Pētot minimālu, pilna garuma cilvēka tau sintētisko versiju, zinātnieki var labāk atjaunot fibrilu struktūru, kas satur nepareizi salocītus tau proteīnus. Tas varētu novest pie mērķtiecīgiem diagnostikas un terapeitiskiem instrumentiem, kas steidzami nepieciešami neirodeģeneratīvām slimībām.

Sintētiskā proteīna izstrādes laikā zinātnieki atklāja arī jaunus ieskatus par ūdens lomu ap proteīna virsmu nepareizas locīšanas procesa vadīšanā. Pētnieki atklāja, ka mutācija, ko parasti izmanto ar TAU saistītu slimību modelēšanai, smalki maina ūdens dinamisko struktūru vidē, kas tieši ieskauj tau proteīnu. Šī izmainītā ūdens struktūra ietekmē proteīna spēju uzņemties savu neparasto formu.

Pētījums tiks publicēts 28. aprīļa nedēļāProceedings of this National Academy of Sciences.

"Neirodeģeneratīvo slimību joma, kas saistīta ar tau proteīnu, ir īpaši plaša," sacīja pētījuma vadītājs no Northwestern Songi Han. "Tas ietver hronisku traumatisku encefalopātiju, kas rodas futbolistiem pēc galvas traumas, kortikobazālās deģenerācijas vai progresējošas supernukleāras triekas. Izveidojiet pašizplatošus tau fragmentus, kas var radīt unikālas priekšējās priekšējās priekšējās tauopātijas fibrilu struktūru un darbības traucējumus.

Han ir Marka un Nensijas Ratnera ķīmijas profesore Ziemeļrietumu Neinbergas Mākslas un zinātņu koledžā un Dzīvības procesu ķīmijas institūta, Lietišķās fizikas absolventu programmas, Starptautiskā nanotehnoloģiju institūta, Paula M. Trienensa Ilgtspējības un enerģētikas institūta un Kvantu informācijas pētniecības un inženierijas institūta locekle. Maikls Vīgers, bijušais Ph.D. Students Hansa laboratorijā vadīja pētījumu un ir pirmais autors. UC Santa Barbara līdzautori ir Kenets S. Kosiks, Džoana Emma Šī un M. Skots Šels. Darbu padarīja iespējamu arī vairāki studenti un pēcdoktorantūras stipendiāti, tostarp Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose un Andrew P. Longhini.

Nepareizu kroku ķēdes reakcija

Daudzu neirodeģeneratīvu slimību gadījumā olbaltumvielas salocās kaitīgās, ļoti sakārtotās fibrilās, kas galu galā bojā smadzeņu veselību, bet ir grūti diagnosticētas. Kad normāls proteīns saskaras ar patoloģiskajām tau fibrilām, normālais proteīns mainās, lai atbilstu nepareizi salocītai formai. Šis process noved pie ķēdes reakcijas, kurā arvien vairāk olbaltumvielu pārvēršas nepareizi salocītā agregācijas stāvoklī. Lai gan šī uzvedība ir līdzīga prioniem, tā neietver reālus prionus, kas var izplatīt infekcijas slimības no cilvēka uz cilvēku.

Izmantojot kriogēno elektronu mikroskopiju (krio-EM), pētnieki atrisināja fibrilu struktūru no smadzeņu audu paraugiem. Lai gan struktūras dizains bija nozīmīgs izrāviens, smadzeņu paraugus var iegūt tikai pēc pacienta nāves. Neskatoties uz dramatisko progresu un intensīvo interesi par šo jomu, ar TAU saistīto neirodeģeneratīvo slimību galīgā diagnoze ir iespējama tikai pēc nāves.

Mūsdienās, kad cilvēkiem parādās neirodeģeneratīvas slimības pazīmes, to nenosaka ar biomarķieri. Ārsti nosaka diagnozi, veicot pacienta aptauju un pārbaudot simptomu kopumu, piemēram, miega modeļus un atmiņu. Sastrēgums ir uzticama tau fibrilu paaudze, kas atjauno kritiskās un unikālās slimības, lai kalpotu par mērķi diagnostikas stratēģiju izstrādei. "

Songi Han, Ziemeļrietumu universitāte

Vienkāršots modelis

Lai risinātu pašreizējo izaicinājumu, Han un viņas komanda centās izstrādāt sintētisku, prioniem līdzīgu tau proteīnu. Tā vietā, lai atjaunotu visu proteīna garumu, kas ir garš un smagnējs, Han komandas mērķis bija noteikt īsāko tau gabalu, kas joprojām varētu iegūt nepareizi salocītu formu un veidot slimībai līdzīgas šķiedras.

Galu galā Han un viņas komanda koncentrējās uz īsu tau segmentu, ko sauc par JR2R3, kas ir tikai 19 aminoskābju segmenti garš. Segments satur mutāciju, ko sauc par P301L, kas parasti sastopama daudzās slimībās. Pētnieki atklāja, ka šis īsais peptīds var veidot kaitīgās fibrillas, kas ir šo slimību pazīme, darbojoties kā "sēkla", lai sadalītu pilna garuma tau proteīnu nepareizu salocīšanu un agregāciju.

"Mēs izveidojām mini versiju, kuru ir vieglāk kontrolēt," sacīja Hans. "Bet tas dara visas tās pašas lietas kā pilna garuma versija. Tie izsēj un izraisa normālu tau proteīnu, lai nepareizi salocītas fibrillas un savienotos kopā."

Komanda izmantoja krio-EM, lai pārbaudītu sintētisko fibrilu struktūru. Viņi atklāja, ka P301L mutācija veicina noteikta veida nepareizu salocīšanu, kas parasti tiek novērota paraugos no pacientiem ar neirodeģenerāciju. Atklājums liecina, ka mutācijai ir izšķiroša loma proteīna novirzīšanā uz nepareizu salocīšanu.

Ūdens forma

Pēc tam Han vēlējās saprast, kā sākotnēji nesakārtotie tau proteīni kļūst par ļoti sakārtotām fibrilu struktūrām. Viņa šo noslēpumaino parādību salīdzināja ar ļenganu spageti šķipsnu samešanu kopā un gaidīšanu, ka tie veidos kārtīgu kaudzi.

"Nav iespējams, ka pēc būtības nesakārtots proteīns dabiski iekristu perfektā krokā un kaudzītē, kas var atjaunoties mūžīgi," sacīja Hans. "Tam nav jēgas."

Izvirzījis hipotēzi, ka kaut kas tur kopā nepareizi salocītās olbaltumvielas, Han atrada atslēgu: ūdeni. Olbaltumvielu ieskaujošajai videi, jo īpaši ūdens molekulām, ir izšķiroša nozīme olbaltumvielu locīšanas un agregācijas procesā. Šķiet, ka P301L mutācija tieši maina tau proteīna struktūru un maina ap to esošo ūdens molekulu uzvedību.

"Ūdens ir šķidra molekula, taču tam joprojām ir struktūra," sacīja Hans. "Mutācija peptīdā varētu radīt strukturētāku ūdens molekulu izvietojumu ap mutācijas vietu. Šis strukturētais ūdens ietekmē to, kā peptīds mijiedarbojas ar citām molekulām un grupē tās kopā."

Citiem vārdiem sakot, sakārtots ūdens saliek olbaltumvielas kopā un ļauj atsevišķām šķiedrām savienoties kārtīgā kaudzītē. Pēc tam fibrillas izmanto savu prioniem līdzīgo uzvedību, lai piesaistītu citus proteīnus, lai nogulsnētu un pievienotos kaudzei.

Kas būs tālāk?

Pētnieku komanda tagad koncentrējas uz sintētisko prionu līdzīgu proteīnu īpašību turpmāku raksturošanu. Galu galā viņi plāno izpētīt iespējamos lietojumus, tostarp jaunu diagnostikas un terapeitisko pieeju izstrādi ar TAU saistītām slimībām.

"Kad ir izveidojusies tau fibrila, tā nepazūd," sacīja Han. "Tas sagrābs naivo tau un salocīs to tādā pašā formā. Tas to var darīt mūžīgi mūžos. Ja mēs varam izdomāt, kā bloķēt šo darbību, mēs varam atklāt jaunus terapeitiskos līdzekļus."

Pētījumu “Ūdens dizains ir Tau prionu veidošanās atslēga” atbalstīja Nacionālie veselības institūti (dotācijas numuri R01AG05605 un R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft un WM Keck fonds.

Avoti: