Syntetyczne białko tau ujawnia ważne informacje na temat nieprawidłowego fałdowania białek i tworzenia włókienek

Syntetyczne białko tau ujawnia ważne informacje na temat nieprawidłowego fałdowania białek i tworzenia włókienek

Naukowcy z Northwestern University i University of California w Santa Barbara stworzyli pierwszy syntetyczny fragment białka tau, który działa jak prion. „Mini-prion” składa się i układa w nici (lub włókienka) nieprawidłowo sfałdowanych białek tau, które następnie przekazują swoją nienormalnie zwiniętą formę innym normalnym białkom tau.

Nieprawidłowo sfałdowane białka prionopodobne napędzają postęp tauopatii, grupy chorób neurodegeneracyjnych – w tym choroby Alzheimera – poprzez nieprawidłowe gromadzenie się nieprawidłowo sfałdowanego białka tau w mózgu. Badając minimalną, syntetyczną wersję ludzkiego tau o pełnej długości, naukowcy mogą lepiej odtworzyć strukturę włókienkową zawierającą nieprawidłowo sfałdowane białka tau. Może to potencjalnie doprowadzić do opracowania ukierunkowanych narzędzi diagnostycznych i terapeutycznych, które są pilnie potrzebne w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych.

Podczas opracowywania syntetycznego białka naukowcy ujawnili także nowe spostrzeżenia na temat roli wody wokół powierzchni białka w kierowaniu procesem nieprawidłowego fałdowania. Naukowcy odkryli, że mutacja powszechnie stosowana do modelowania chorób związanych z TAU subtelnie zmienia dynamiczną strukturę wody w środowisku bezpośrednio otaczającym białko tau. Ta zmieniona struktura wody wpływa na zdolność białka do przyjmowania nieprawidłowego kształtu.

Badanie zostanie opublikowane w tygodniu rozpoczynającym się 28 kwietniaPostępowanie tej Narodowej Akademii Nauk.

„Zakres chorób neurodegeneracyjnych związanych z białkiem tau jest szczególnie szeroki” – powiedział Songi Han z Northwestern, który kierował badaniem. „Obejmuje przewlekłą encefalopatię pourazową, która występuje u piłkarzy po urazie głowy, zwyrodnieniu korowo-podstawnym lub postępującym porażeniu nadjądrowym. Generuje samonamnażające się fragmenty tau, które mogą wytworzyć strukturę włókienkową i nieprawidłowe działanie unikalnej tauopatii przednio-przedniej-przedniej.

Han jest profesorem chemii im. Marka i Nancy Ratnerów w Neeinberg College of Arts and Sciences w Northwestern oraz członkiem Instytutu Chemii Procesów Życiowych, programu dla absolwentów fizyki stosowanej, Międzynarodowego Instytutu Nanotechnologii, Instytutu Zrównoważonego Rozwoju i Energii im. Pauli M. Trienens oraz Instytutu Badań i Inżynierii Informacji Kwantowej. Michael Vigers, były doktorant Badania prowadził student w laboratorium Hansa i jest ich pierwszym autorem. Współautorami Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara są Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea i M. Scott Shell. Prace umożliwiło także kilku studentów i stypendystów ze stopniem doktora, w tym Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose i Andrew P. Longhini.

Reakcja łańcuchowa nieprawidłowych fałd

W wielu chorobach neurodegeneracyjnych białka składają się w szkodliwe, wysoce uporządkowane włókienka, które ostatecznie uszkadzają zdrowie mózgu, ale są trudne do zdiagnozowania. Kiedy normalne białko napotyka patologiczne włókienka tau, normalne białko zmienia się, dostosowując się do nieprawidłowo sfałdowanego kształtu. Proces ten prowadzi do reakcji łańcuchowej, w której coraz więcej białek przechodzi w stan nieprawidłowo sfałdowanej agregacji. Chociaż to zachowanie jest podobne do prionów, nie dotyczy rzeczywistych prionów, które mogą przenosić choroby zakaźne z osoby na osobę.

Za pomocą kriogenicznej mikroskopii elektronowej (cryo-EM) naukowcy ustalili strukturę włókienek z próbek tkanki mózgowej. Chociaż projekt konstrukcji był znaczącym przełomem, próbki mózgu można uzyskać dopiero po śmierci pacjenta. Pomimo dramatycznego postępu i dużego zainteresowania tą dziedziną, ostateczne rozpoznanie chorób neurodegeneracyjnych związanych z TAU możliwe jest dopiero po śmierci.

Dziś, gdy u ludzi występują oznaki choroby neurodegeneracyjnej, nie diagnozuje się jej za pomocą biomarkera. Lekarze ustalają diagnozę, przeprowadzając ankietę u pacjenta i badając zbiór objawów, takich jak wzorce snu i pamięć. Wąskim gardłem jest niezawodne wytwarzanie włókienek tau, które odtwarzają krytyczne i unikalne choroby i służą jako cele w opracowywaniu strategii diagnostycznych. „

Songi Han z Uniwersytetu Północno-Zachodniego

Uproszczony model

Aby stawić czoła obecnemu wyzwaniu, Han i jej zespół starali się opracować syntetyczne białko tau podobne do prionów. Zamiast odtwarzać całą długość białka, które jest długie i nieporęczne, zespół Hana postanowił określić najkrótszy kawałek tau, który nadal mógłby przyjąć nieprawidłowo sfałdowany kształt i tworzyć chorobopodobne włókienka.

Ostatecznie Han i jej zespół skupili się na krótkim segmencie tau, zwanym JR2R3, który ma zaledwie 19 segmentów aminokwasowych. Segment zawiera mutację zwaną P301L, która powszechnie występuje w wielu chorobach. Naukowcy odkryli, że ten krótki peptyd może tworzyć szkodliwe włókienka, które są cechą charakterystyczną tych chorób, działając jako „nasiono” oddzielające nieprawidłowe fałdowanie i agregację białek tau pełnej długości.

„Stworzyliśmy wersję mini, która jest łatwiejsza w obsłudze” – powiedział Han. „Ale robi to samo, co wersja pełnometrażowa. Zasiewają i powodują, że normalne białko tau źle fałduje włókienka i łączy się ze sobą”.

Zespół wykorzystał technologię Cryo-EM do zbadania struktury syntetycznych włókienek. Odkryli, że mutacja P301L ułatwia specyficzny rodzaj nieprawidłowego fałdowania, który jest powszechnie obserwowany w próbkach pobranych od pacjentów z neurodegeneracją. Odkrycie sugeruje, że mutacja odgrywa kluczową rolę w kierowaniu białka w kierunku nieprawidłowego fałdowania.

Kształt wody

Następnie Han chciał zrozumieć, w jaki sposób początkowo nieuporządkowane białka tau stają się wysoce uporządkowanymi strukturami włókienkowymi. Porównała to tajemnicze zjawisko do zrzucania razem pasm wiotkiego spaghetti i oczekiwania, że ​​utworzą zgrabny stos.

„Niemożliwe jest, aby wewnętrznie nieuporządkowane białko w naturalny sposób utworzyło idealny fałd i stos, który mógłby się regenerować w nieskończoność” – powiedział Han. – To nie ma sensu.

Po postawieniu hipotezy, że coś musi trzymać razem nieprawidłowo sfałdowane białka, Han znalazł klucz: wodę. Środowisko otaczające białko, zwłaszcza cząsteczki wody, odgrywa kluczową rolę w fałdowaniu i agregacji białek. Wydaje się, że mutacja P301L bezpośrednio zmienia strukturę białka tau i zmienia zachowanie otaczających go cząsteczek wody.

„Woda jest cząsteczką cieczy, ale nadal ma strukturę” – powiedział Han. „Mutacja w peptydzie może skutkować bardziej uporządkowanym rozmieszczeniem cząsteczek wody wokół miejsca mutacji. Ta strukturalna woda wpływa na sposób, w jaki peptyd oddziałuje z innymi cząsteczkami i grupuje je razem”.

Innymi słowy, zorganizowana woda skleja białka i pozwala pojedynczym pasmom związać się w zgrabny stos. Włókna następnie wykorzystują swoje zachowanie podobne do prionów, aby rekrutować inne białka w celu wytrącenia i połączenia się ze stosem.

Co dalej?

Zespół badawczy koncentruje się obecnie na dalszym charakteryzowaniu właściwości syntetycznych białek prionopodobnych. Docelowo planują zbadać potencjalne zastosowania, w tym opracowanie nowych podejść diagnostycznych i terapeutycznych w przypadku chorób związanych z TAU.

„Kiedy utworzy się fibryla tau, nie znika ona” – powiedział Han. „Chwyci naiwne tau i złoży je w ten sam kształt. Może to robić na zawsze. Jeśli wymyślimy, jak zablokować tę aktywność, możemy odkryć nowe środki terapeutyczne”.

Badanie „Projektowanie wody jest kluczem do formacji prionów Tau” zostało wsparte przez Narodowy Instytut Zdrowia (numery grantów R01AG05605 i R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft i Fundację WM Kecka.

Źródła: