Het synthetische tau-eiwit onthult belangrijke inzichten in het verkeerd vouwen van eiwitten en de vorming van fibrillen

Het synthetische tau-eiwit onthult belangrijke inzichten in het verkeerd vouwen van eiwitten en de vorming van fibrillen

Wetenschappers van de Northwestern University en de University of California, Santa Barbara hebben het eerste synthetische fragment van het tau-eiwit gecreëerd dat zich als een prion gedraagt. Het ‘mini-prion’ vouwt en stapelt zich op tot strengen (of fibrillen) van verkeerd gevouwen tau-eiwitten, die vervolgens hun abnormaal gevouwen vorm doorgeven aan andere normale tau-eiwitten.

Verkeerd gevouwen prionachtige eiwitten veroorzaken de progressie van tauopathieën, een groep neurodegeneratieve ziekten – waaronder de ziekte van Alzheimer – door de abnormale accumulatie van verkeerd gevouwen tau-eiwit in de hersenen. Door een minimale, volledige synthetische versie van menselijk tau te bestuderen, kunnen wetenschappers de fibrilstructuur die verkeerd gevouwen tau-eiwitten bevat, beter reproduceren. Dit zou mogelijk kunnen leiden tot gerichte diagnostische en therapeutische hulpmiddelen die dringend nodig zijn voor neurodegeneratieve ziekten.

Tijdens de ontwikkeling van het synthetische eiwit onthulden de wetenschappers ook nieuwe inzichten in de rol van water rond het eiwitoppervlak bij het begeleiden van het verkeerd vouwproces. Een mutatie die vaak wordt gebruikt om TAU-gerelateerde ziekten te modelleren, verandert op subtiele wijze de dynamische structuur van water in de omgeving die het tau-eiwit omringt, ontdekten de onderzoekers. Deze veranderde waterstructuur beïnvloedt het vermogen van het eiwit om zijn abnormale vorm aan te nemen.

Het onderzoek wordt gepubliceerd in de week van 28 aprilProceedings van deze Nationale Academie van Wetenschappen.

“De reikwijdte van neurodegeneratieve ziekten waarbij het eiwit tau betrokken is, is bijzonder breed”, zegt Songi Han van Northwestern, die de studie leidde. "Het omvat chronische traumatische encefalopathie die optreedt bij voetballers na hoofdtrauma, corticobasale degeneratie of progressieve supernucleaire verlamming. Genereer zelfvoortplantende tau-fragmenten die de fibrilstructuur en storing van de unieke anterieure anterieure anterieure anterieure tauopathie kunnen veroorzaken.

Han is de Mark en Nancy Ratner hoogleraar scheikunde aan het Neeinberg College of Arts and Sciences in Northwestern en lid van het Institute for the Chemistry of Life Processes, Applied Physics Graduate Program, International Institute of Nanotechnology, Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy, en Institute for Quantum Information Research and Engineering. Michael Vigers, een voormalig Ph.D. Student in het laboratorium van Hans leidde het onderzoek en is de eerste auteur. Co-auteurs van UC Santa Barbara zijn onder meer Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea en M. Scott Shell. Het werk werd ook mogelijk gemaakt door verschillende studenten en postdoctorale fellows, waaronder Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose en Andrew P. Longhini.

Een kettingreactie van onjuiste vouwen

Bij veel neurodegeneratieve ziekten vouwen de eiwitten zich op tot schadelijke, zeer geordende fibrillen die uiteindelijk de gezondheid van de hersenen schaden, maar moeilijk te diagnosticeren zijn. Wanneer een normaal eiwit de pathologische tau-fibrillen tegenkomt, verandert het normale eiwit om zich aan te passen aan de verkeerd gevouwen vorm. Dit proces leidt tot een kettingreactie waarbij steeds meer eiwitten in de verkeerd gevouwen aggregatietoestand terechtkomen. Hoewel dit gedrag prionachtig is, zijn er geen echte prionen betrokken, die infectieziekten van persoon tot persoon kunnen verspreiden.

Met behulp van cryogene elektronenmicroscopie (cryo-EM) hebben de onderzoekers de structuur van fibrillen opgelost uit monsters van hersenweefsel. Hoewel het ontwerp van de structuur een belangrijke doorbraak was, kunnen hersenmonsters pas worden verkregen na het overlijden van een patiënt. Ondanks de dramatische vooruitgang en de intense belangstelling op dit gebied is de definitieve diagnose van TAU-gerelateerde neurodegeneratieve ziekten pas mogelijk na de dood.

Wanneer mensen tegenwoordig tekenen van een neurodegeneratieve ziekte vertonen, wordt deze niet gediagnosticeerd met een biomarker. Artsen stellen de diagnose vast door een patiëntenonderzoek uit te voeren en een verzameling symptomen te onderzoeken, zoals slaappatroon en geheugen. Het knelpunt is de betrouwbare generatie van tau-fibrillen die de kritieke en unieke ziekten reconstrueren en als doelwit dienen voor de ontwikkeling van diagnostische strategieën. “

Songi Han, Noordwestelijke Universiteit

Een vereenvoudigd model

Om de huidige uitdaging aan te pakken, probeerden Han en haar team een ​​synthetisch, prionachtig tau-eiwit te ontwikkelen. In plaats van de hele lengte van het eiwit, dat lang en log is, opnieuw te creëren, probeerde Han's team het kortste stukje tau te bepalen dat nog steeds een verkeerd gevouwen vorm kon aannemen en ziekteachtige fibrillen kon vormen.

Uiteindelijk concentreerden Han en haar team zich op een kort segment van tau, genaamd JR2R3, dat slechts 19 aminozuursegmenten lang is. Het segment bevat een mutatie genaamd P301L, die vaak bij veel ziekten voorkomt. De onderzoekers ontdekten dat dit korte peptide de schadelijke fibrillen zou kunnen vormen die het kenmerk zijn van deze ziekten, en zou kunnen fungeren als een ‘zaadje’ om de verkeerde vouwing en aggregatie van tau-eiwitten met de volledige lengte in compartimenten te verdelen.

“We hebben een miniversie gemaakt die gemakkelijker te bedienen is”, zei Han. "Maar het doet allemaal dezelfde dingen als de volledige versie: ze zaaien en zorgen ervoor dat normaal tau-eiwit de fibrillen verkeerd vouwt en aan elkaar hecht."

Het team gebruikte cryo-EM om de structuur van de synthetische fibrillen te onderzoeken. Ze ontdekten dat de P301L-mutatie een specifiek type verkeerd vouwen mogelijk maakt dat vaak wordt waargenomen in monsters van patiënten met neurodegeneratie. De bevinding suggereert dat de mutatie een cruciale rol speelt bij het verkeerd vouwen van het eiwit.

De vorm van water

Han wilde vervolgens begrijpen hoe de aanvankelijk ongeordende tau-eiwitten hooggeordende fibrilstructuren worden. Ze vergeleek het mysterieuze fenomeen met het bij elkaar gooien van slierten slappe spaghetti en verwachtte dat ze een nette stapel zouden vormen.

“Het is onmogelijk dat een intrinsiek ongeordend eiwit op natuurlijke wijze in een perfecte vouw en stapel zou vallen die voor altijd kan regenereren,” zei Han. "Het heeft geen zin."

Nadat hij had gehypothetiseerd dat iets de verkeerd gevouwen eiwitten bij elkaar moet houden, vond Han de sleutel: water. De omgeving rondom een ​​eiwit, met name de watermoleculen, speelt een cruciale rol bij het vouwen en aggregeren van eiwitten. De P301L-mutatie lijkt de structuur van het tau-eiwit direct te veranderen en het gedrag van de watermoleculen eromheen te veranderen.

“Water is een vloeibaar molecuul, maar het heeft nog steeds structuur”, zei Han. "De mutatie in het peptide zou kunnen resulteren in een meer gestructureerde rangschikking van watermoleculen rond de mutatieplaats. Dit gestructureerde water beïnvloedt hoe het peptide interageert met andere moleculen en groepeert ze samen."

Met andere woorden, georganiseerd water plakt de eiwitten aan elkaar en zorgt ervoor dat individuele strengen samen kunnen binden tot een nette stapel. De fibrillen gebruiken vervolgens hun prionachtige gedrag om andere eiwitten te rekruteren, neer te slaan en zich bij de stapel aan te sluiten.

Wat is het volgende?

Het onderzoeksteam richt zich nu op het verder karakteriseren van de eigenschappen van de synthetische prionachtige eiwitten. Uiteindelijk zijn ze van plan potentiële toepassingen te onderzoeken, waaronder de ontwikkeling van nieuwe diagnostische en therapeutische benaderingen voor TAU-gerelateerde ziekten.

"Als een tau-fibril eenmaal is gevormd, verdwijnt deze niet meer", zei Han. "Het zal naïeve tau grijpen en in dezelfde vorm vouwen. Het kan dit voor altijd en eeuwig doen. Als we erachter kunnen komen hoe we deze activiteit kunnen blokkeren, kunnen we nieuwe therapeutische middelen ontdekken."

De studie ‘Water Design is Key to Tau Prion Formation’ werd ondersteund door de National Institutes of Health (subsidienummers R01AG05605 en R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft en de WM Keck Foundation.

Bronnen: