A proteína tau sintética revela informações importantes sobre o enrolamento incorreto de proteínas e a formação de fibrilas

A proteína tau sintética revela informações importantes sobre o enrolamento incorreto de proteínas e a formação de fibrilas

Cientistas da Northwestern University e da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, criaram o primeiro fragmento sintético da proteína tau que atua como um príon. O “mini-prião” dobra-se e empilha-se em cadeias (ou fibrilas) de proteínas tau mal dobradas, que depois transmitem a sua forma anormalmente dobrada a outras proteínas tau normais.

Proteínas semelhantes a priões mal dobradas impulsionam a progressão das tauopatias, um grupo de doenças neurodegenerativas – incluindo a doença de Alzheimer – através da acumulação anormal de proteína tau mal dobrada no cérebro. Ao estudar uma versão sintética mínima e completa da tau humana, os cientistas podem recriar melhor a estrutura da fibrila que contém proteínas tau mal dobradas. Isto poderia potencialmente levar a ferramentas diagnósticas e terapêuticas específicas que são urgentemente necessárias para doenças neurodegenerativas.

Durante o desenvolvimento da proteína sintética, os cientistas também revelaram novos insights sobre o papel da água ao redor da superfície da proteína na orientação do processo de dobramento incorreto. Uma mutação comumente usada para modelar doenças relacionadas à TAU altera sutilmente a estrutura dinâmica da água no ambiente imediatamente ao redor da proteína tau, descobriram os pesquisadores. Essa estrutura alterada da água afeta a capacidade da proteína de assumir sua forma anormal.

O estudo será publicado na semana de 28 de abrilAnais desta Academia Nacional de Ciências.

“O âmbito das doenças neurodegenerativas que envolvem a proteína tau é particularmente amplo”, disse Songi Han, da Northwestern, que liderou o estudo. "Inclui encefalopatia traumática crônica que ocorre em jogadores de futebol após traumatismo cranioencefálico, degeneração corticobasal ou paralisia supernuclear progressiva. Gera fragmentos de tau autopropagados que podem produzir a estrutura da fibrila e o mau funcionamento da tauopatia anterior anterior anterior única.

Han é professor de química Mark e Nancy Ratner no Neeinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Instituto para os Processos de Química da Vida, Programa de Pós-Graduação em Física Aplicada, Instituto Internacional de Nanotecnologia, Instituto Paula M. Trienens de Sustentabilidade e Energia e Instituto de Pesquisa e Engenharia de Informação Quântica. Michael Vigers, ex-Ph.D. Aluno do laboratório de Hans liderou o estudo e é o primeiro autor. Os co-autores da UC Santa Bárbara incluem Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea e M. Scott Shell. O trabalho também foi viabilizado por vários estudantes e bolsistas de pós-doutorado, incluindo Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose e Andrew P. Longhini.

Uma reação em cadeia de dobras incorretas

Em muitas doenças neurodegenerativas, as proteínas dobram-se em fibrilas prejudiciais e altamente ordenadas que, em última análise, prejudicam a saúde do cérebro, mas são difíceis de diagnosticar. Quando uma proteína normal encontra as fibrilas patológicas de tau, a proteína normal muda para se conformar à forma mal dobrada. Este processo leva a uma reação em cadeia na qual mais e mais proteínas se transformam no estado de agregação mal dobrado. Embora este comportamento seja semelhante ao do príon, ele não envolve príons reais, que podem transmitir doenças infecciosas de pessoa para pessoa.

Usando microscopia eletrônica criogênica (crio-EM), os pesquisadores resolveram a estrutura das fibrilas a partir de amostras de tecido cerebral. Embora o projeto da estrutura tenha sido um avanço significativo, amostras cerebrais só podem ser obtidas após a morte do paciente. Apesar do progresso dramático e do intenso interesse nesta área, o diagnóstico definitivo de doenças neurodegenerativas relacionadas com TAU só é possível após a morte.

Hoje, quando as pessoas apresentam sinais de uma doença neurodegenerativa, ela não é diagnosticada com um biomarcador. Os médicos determinam o diagnóstico administrando uma pesquisa com o paciente e examinando uma coleção de sintomas, como padrões de sono e memória. O gargalo é a geração confiável de fibrilas tau que reconstituem as doenças críticas e únicas para servir como alvos para o desenvolvimento de estratégias diagnósticas. “

Songi Han, Universidade do Noroeste

Um modelo simplificado

Para enfrentar o desafio atual, Han e sua equipe procuraram desenvolver uma proteína tau sintética, semelhante ao príon. Em vez de recriar todo o comprimento da proteína, que é longa e difícil de manejar, a equipe de Han pretendia determinar o pedaço mais curto de tau que ainda pudesse assumir uma forma mal dobrada e formar fibrilas semelhantes a doenças.

No final das contas, Han e sua equipe se concentraram em um pequeno segmento de tau, chamado JR2R3, que tem apenas 19 segmentos de aminoácidos. O segmento contém uma mutação chamada P301L, comumente encontrada em muitas doenças. Os investigadores descobriram que este pequeno péptido poderia formar as fibrilas prejudiciais que são a marca destas doenças, agindo como uma “semente” para compartimentar o mau enrolamento e a agregação das proteínas tau completas.

“Fizemos uma versão mini que é mais fácil de controlar”, disse Han. "Mas faz as mesmas coisas que a versão completa. Eles semeiam e fazem com que a proteína tau normal dobre mal as fibrilas e se unam."

A equipe usou crio-EM para examinar a estrutura das fibrilas sintéticas. Eles descobriram que a mutação P301L facilita um tipo específico de dobramento incorreto que é comumente observado em amostras de pacientes com neurodegeneração. A descoberta sugere que a mutação desempenha um papel crucial no direcionamento da proteína para um enrolamento incorreto.

A forma da água

Em seguida, Han quis entender como as proteínas tau inicialmente desordenadas se transformam em estruturas de fibrilas altamente ordenadas. Ela comparou o fenômeno misterioso a juntar fios de espaguete mole e esperar que formassem uma pilha organizada.

“É impossível que uma proteína intrinsecamente desordenada caia naturalmente em uma dobra e pilha perfeita que possa se regenerar para sempre”, disse Han. "Não faz sentido."

Depois de levantar a hipótese de que algo deveria estar mantendo unidas as proteínas mal dobradas, Han encontrou a chave: água. O ambiente que envolve uma proteína, particularmente as moléculas de água, desempenha um papel crucial no dobramento e agregação de proteínas. A mutação P301L parece alterar diretamente a estrutura da proteína tau e alterar o comportamento das moléculas de água ao seu redor.

“A água é uma molécula líquida, mas ainda tem estrutura”, disse Han. "A mutação no peptídeo pode resultar em um arranjo mais estruturado de moléculas de água ao redor do local da mutação. Essa água estruturada influencia como o peptídeo interage com outras moléculas e as agrupa."

Em outras palavras, a água organizada une as proteínas e permite que os fios individuais se unam em uma pilha organizada. As fibrilas então usam seu comportamento semelhante ao príon para recrutar outras proteínas para precipitar e se juntar à pilha.

O que vem a seguir?

A equipe de pesquisa está agora se concentrando em caracterizar ainda mais as propriedades das proteínas sintéticas semelhantes ao príon. Em última análise, planeiam investigar aplicações potenciais, incluindo o desenvolvimento de novas abordagens diagnósticas e terapêuticas para doenças relacionadas com TAU.

“Uma vez formada uma fibrila tau, ela não desaparece”, disse Han. "Ele pegará o tau ingênuo e o dobrará na mesma forma. Ele pode fazer isso para todo o sempre. Se descobrirmos como bloquear essa atividade, poderemos descobrir novos agentes terapêuticos."

O estudo, “O design da água é fundamental para a formação de príons tau”, foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (números de concessão R01AG05605 e R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft e a Fundação WM Keck.

Fontes: