Det syntetiske tau-proteinet avslører viktig innsikt i proteinfeilfolding og fibrillerdannelse

Det syntetiske tau-proteinet avslører viktig innsikt i proteinfeilfolding og fibrillerdannelse

Forskere ved Northwestern University og University of California, Santa Barbara har laget det første syntetiske fragmentet av tau-proteinet som fungerer som en prion. "Mini-prion" folder og stabler inn i tråder (eller fibriller) av feilfoldede tau-proteiner, som deretter overfører deres unormalt foldede form til andre normale tau-proteiner.

Feilfoldede prionlignende proteiner driver utviklingen av tauopatier, en gruppe nevrodegenerative sykdommer – inkludert Alzheimers sykdom – gjennom unormal akkumulering av feilfoldet tau-protein i hjernen. Ved å studere en minimal, full-lengde syntetisk versjon av menneskelig tau, kan forskere bedre gjenskape fibrillstrukturen som inneholder feilfoldede tau-proteiner. Dette kan potensielt føre til målrettede diagnostiske og terapeutiske verktøy som er presserende nødvendig for nevrodegenerative sykdommer.

Under utviklingen av det syntetiske proteinet avslørte forskerne også ny innsikt i rollen til vannet rundt proteinoverflaten i å lede feilfoldingsprosessen. En mutasjon som vanligvis brukes til å modellere TAU-relaterte sykdommer endrer subtilt den dynamiske strukturen til vann i miljøet umiddelbart rundt tau-proteinet, fant forskerne. Denne endrede vannstrukturen påvirker proteinets evne til å anta sin unormale form.

Studien vil bli publisert i uken 28. aprilProceedings of this National Academy of Sciences.

"Omfanget av nevrodegenerative sykdommer som involverer proteinet tau er spesielt bredt," sa Northwesterns Songi Han, som ledet studien. "Det inkluderer kronisk traumatisk encefalopati som oppstår hos fotballspillere etter hodetraume, kortikobasal degenerasjon eller progressiv supernukleær parese. Generer selvforplantende tau-fragmenter som kan produsere fibrillstrukturen og feilfunksjonen til den unike fremre fremre fremre tauopatien.

Han er Mark og Nancy Ratner professor i kjemi ved Northwesterns Neeinberg College of Arts and Sciences og medlem av Institute for the Chemistry of Life Processes, Applied Physics Graduate Program, International Institute of Nanotechnology, Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy, and Institute for Quantum Information Research and Engineering. Michael Vigers, en tidligere Ph.D. Student ved Hans sitt laboratorium ledet studien og er førsteforfatter. UC Santa Barbara medforfattere inkluderer Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea og M. Scott Shell. Arbeidet ble også muliggjort av flere studenter og postdoktorer, inkludert Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose og Andrew P. Longhini.

En kjedereaksjon av feil folder

I mange nevrodegenerative sykdommer folder proteinene seg til skadelige, høyt ordnede fibriller som til slutt skader hjernens helse, men som er vanskelige å diagnostisere. Når et normalt protein møter de patologiske tau-fibrillerne, endres det normale proteinet for å tilpasse seg den feilfoldede formen. Denne prosessen fører til en kjedereaksjon der flere og flere proteiner forvandles til feilfoldet aggregeringstilstand. Selv om denne oppførselen er prion-lignende, involverer den ikke faktiske prioner, som kan spre smittsomme sykdommer fra person til person.

Ved hjelp av kryogen elektronmikroskopi (cryo-EM) løste forskerne strukturen til fibriller fra prøver av hjernevev. Selv om utformingen av strukturen var et betydelig gjennombrudd, kan hjerneprøver kun fås etter en pasients død. Til tross for den dramatiske fremgangen og den intense interessen for dette området, er den definitive diagnosen TAU-relaterte nevrodegenerative sykdommer bare mulig etter døden.

I dag, når folk viser tegn på en nevrodegenerativ sykdom, er den ikke diagnostisert med en biomarkør. Leger bestemmer diagnosen ved å administrere en pasientundersøkelse og undersøke en samling av symptomer som søvnmønster og hukommelse. Flaskehalsen er den pålitelige generasjonen av tau-fibriller som rekonstituerer de kritiske og unike sykdommene for å tjene som mål for utvikling av diagnostiske strategier. "

Songi Han, Northwestern University

En forenklet modell

For å møte den nåværende utfordringen søkte Han og teamet hennes å utvikle et syntetisk, prionlignende tau-protein. I stedet for å gjenskape hele lengden av proteinet, som er langt og uhåndterlig, siktet teamet til Han på å bestemme det korteste stykket tau som fortsatt kunne anta en feilfoldet form og danne sykdomslignende fibriller.

Til slutt fokuserte Han og teamet hennes på et kort segment av tau, kalt JR2R3, som bare er 19 aminosyresegmenter langt. Segmentet inneholder en mutasjon kalt P301L, som ofte finnes i mange sykdommer. Forskerne fant at dette korte peptidet kunne danne de skadelige fibrillene som er kjennetegnet for disse sykdommene, og fungere som et "frø" for å dele opp feilfoldingen og aggregeringen av tau-proteiner i full lengde.

"Vi laget en miniversjon som er lettere å kontrollere," sa Han. "Men den gjør alle de samme tingene som full-lengde-versjonen. De frø og forårsaker at normalt tau-protein feilfolder fibrillene og binder seg sammen."

Teamet brukte cryo-EM for å undersøke strukturen til de syntetiske fibrillene. De fant at P301L-mutasjonen letter en spesifikk type feilfolding som ofte observeres i prøver fra pasienter med nevrodegenerasjon. Funnet tyder på at mutasjonen spiller en avgjørende rolle for å lede proteinet til feilfolding.

Vannets form

Han ønsket deretter å forstå hvordan de opprinnelig uordnede tau-proteinene blir svært ordnede fibrilstrukturer. Hun liknet det mystiske fenomenet med å kaste tråder av slapp spaghetti sammen og forvente at de skulle danne en pen haug.

"Det er umulig at et iboende uordnet protein naturlig faller inn i en perfekt fold og stabel som kan regenereres for alltid," sa Han. "Det gir ingen mening."

Etter å ha antatt at noe må holde de feilfoldede proteinene sammen, fant Han nøkkelen: vann. Miljøet rundt et protein, spesielt vannmolekylene, spiller en avgjørende rolle i proteinfolding og aggregering. P301L-mutasjonen ser ut til å direkte endre strukturen til tau-proteinet og endre oppførselen til vannmolekyler rundt det.

"Vann er et flytende molekyl, men det har fortsatt struktur," sa Han. "Mutasjonen i peptidet kan resultere i et mer strukturert arrangement av vannmolekyler rundt mutasjonsstedet. Dette strukturerte vannet påvirker hvordan peptidet interagerer med andre molekyler og grupperer dem sammen."

Med andre ord, organisert vann fester proteinene sammen og lar individuelle tråder bindes sammen til en pen haug. Fibrillene bruker deretter sin prionlignende oppførsel til å rekruttere andre proteiner for å felle ut og bli med i stabelen.

Hva er neste?

Forskerteamet fokuserer nå på ytterligere å karakterisere egenskapene til de syntetiske prionlignende proteinene. Til syvende og sist planlegger de å undersøke potensielle anvendelser, inkludert utvikling av nye diagnostiske og terapeutiske tilnærminger for TAU-relaterte sykdommer.

"Når en tau-fibrill først er dannet, forsvinner den ikke," sa Han. "Den vil gripe naiv tau og brette den til samme form. Den kan gjøre dette for alltid. Hvis vi kan finne ut hvordan vi blokkerer denne aktiviteten, kan vi avdekke nye terapeutiske midler."

Studien, "Water Design is Key to Tau Prion Formation," ble støttet av National Institutes of Health (stipendnummer R01AG05605 og R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft og WM Keck Foundation.

Kilder: