Proteina tau sintetică dezvăluie informații importante despre plierea greșită a proteinelor și formarea fibrilelor

Proteina tau sintetică dezvăluie informații importante despre plierea greșită a proteinelor și formarea fibrilelor

Oamenii de știință de la Universitatea Northwestern și de la Universitatea din California, Santa Barbara au creat primul fragment sintetic al proteinei tau care acționează ca un prion. „Mini-prionul” se pliază și se stivuiește în fire (sau fibrile) de proteine ​​tau pliate greșit, care apoi transmit forma lor pliată anormal altor proteine ​​tau normale.

Proteinele de tip prionic pliate greșit conduc la progresia tauopatiilor, un grup de boli neurodegenerative - inclusiv boala Alzheimer - prin acumularea anormală a proteinei tau pliate greșit în creier. Studiind o versiune sintetică minimă, de lungime completă, a tau-ului uman, oamenii de știință pot recrea mai bine structura fibrilă care conține proteine ​​tau pliate greșit. Acest lucru ar putea duce la instrumente de diagnostic și terapeutice direcționate care sunt necesare urgent pentru bolile neurodegenerative.

În timpul dezvoltării proteinei sintetice, oamenii de știință au dezvăluit, de asemenea, noi perspective asupra rolului apei în jurul suprafeței proteinei în ghidarea procesului de pliere greșită. O mutație folosită în mod obișnuit pentru a modela bolile legate de TAU modifică subtil structura dinamică a apei din mediul care înconjoară imediat proteina tau, au descoperit cercetătorii. Această structură alterată a apei afectează capacitatea proteinei de a-și asuma forma anormală.

Studiul va fi publicat în săptămâna din 28 aprilieProceedings of this National Academy of Sciences.

„Sfera de aplicare a bolilor neurodegenerative care implică proteina tau este deosebit de larg”, a spus Songi Han din Northwestern, care a condus studiul. „Include encefalopatia traumatică cronică care apare la jucătorii de fotbal după traumatisme craniene, degenerescență corticobazală sau paralizie supernucleară progresivă. Generați fragmente de tau cu autopropagare care pot produce structura fibrilă și funcționarea defectuoasă a tauopatiei anterioare anterioare anterioare unice.

Han este profesor de chimie Mark și Nancy Ratner la Colegiul de Arte și Științe Neeinberg din Northwestern și membru al Institutului pentru Chimia Proceselor Vieții, Programul de Absolvent în Fizică Aplicată, Institutul Internațional de Nanotehnologie, Institutul Paula M. Trienens pentru Sustenabilitate și Energie și Institutul pentru Cercetare și Inginerie a Informației Cuantice. Michael Vigers, fost Ph.D. Student din laboratorul lui Hans a condus studiul și este primul autor. Co-autorii UC Santa Barbara includ Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea și M. Scott Shell. Lucrarea a fost posibilă și de mai mulți studenți și bursieri postdoctorali, inclusiv Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose și Andrew P. Longhini.

O reacție în lanț de pliuri incorecte

În multe boli neurodegenerative, proteinele se pliază în fibrile dăunătoare, foarte ordonate, care în cele din urmă dăunează sănătății creierului, dar sunt dificil de diagnosticat. Când o proteină normală întâlnește fibrile patologice tau, proteina normală se modifică pentru a se conforma formei pliate greșit. Acest proces duce la o reacție în lanț în care din ce în ce mai multe proteine ​​se transformă în starea de agregare pliată greșit. Deși acest comportament este asemănător prionilor, nu implică prioni reali, care pot răspândi boli infecțioase de la persoană la persoană.

Folosind microscopia electronică criogenică (cryo-EM), cercetătorii au rezolvat structura fibrilelor din mostre de țesut cerebral. Deși proiectarea structurii a fost o descoperire semnificativă, mostrele de creier pot fi obținute numai după moartea unui pacient. În ciuda progresului dramatic și a interesului intens în acest domeniu, diagnosticul definitiv al bolilor neurodegenerative legate de TAU este posibil numai după moarte.

Astăzi, când oamenii prezintă semne ale unei boli neurodegenerative, aceasta nu este diagnosticată cu un biomarker. Medicii stabilesc diagnosticul prin administrarea unui sondaj pacient și examinarea unei colecții de simptome, cum ar fi tiparele de somn și memoria. Blocajul este generarea de încredere de fibrile tau care reconstituie bolile critice și unice pentru a servi drept ținte pentru dezvoltarea strategiilor de diagnostic. „

Songi Han, Universitatea Northwestern

Un model simplificat

Pentru a face față provocării actuale, Han și echipa ei au căutat să dezvolte o proteină tau sintetică, asemănătoare prionilor. În loc să recreeze întreaga lungime a proteinei, care este lungă și greu de manevrat, echipa lui Han și-a propus să determine cea mai scurtă bucată de tau care ar putea încă să adopte o formă greșită și să formeze fibrile asemănătoare bolii.

În cele din urmă, Han și echipa ei s-au concentrat pe un segment scurt de tau, numit JR2R3, care are doar 19 segmente de aminoacizi. Segmentul conține o mutație numită P301L, care se găsește în mod obișnuit în multe boli. Cercetătorii au descoperit că această peptidă scurtă ar putea forma fibrilele dăunătoare care sunt semnul distinctiv al acestor boli, acționând ca o „sămânță” pentru a compartimenta plierea și agregarea greșită a proteinelor tau de lungime completă.

„Am făcut o versiune mini care este mai ușor de controlat”, a spus Han. „Dar face aceleași lucruri ca și versiunea de lungime completă. Ele seminează și provoacă proteina tau normală să plieze greșit fibrilele și să se lege împreună”.

Echipa a folosit cryo-EM pentru a examina structura fibrilelor sintetice. Ei au descoperit că mutația P301L facilitează un tip specific de pliere greșită care este observată în mod obișnuit în probele de la pacienții cu neurodegenerare. Descoperirea sugerează că mutația joacă un rol crucial în direcționarea proteinei în plierea greșită.

Forma apei

Han a vrut apoi să înțeleagă cum proteinele tau dezordonate inițial devin structuri fibrile foarte ordonate. Ea a asemănat fenomenul misterios cu a arunca împreună fire de spaghete moale și a așteptat ca acestea să formeze o grămadă îngrijită.

„Este imposibil ca o proteină intrinsec dezordonată să cadă în mod natural într-un pliu perfect și într-o stivă care se poate regenera pentru totdeauna”, a spus Han. — Nu are sens.

După ce a emis ipoteza că ceva trebuie să țină împreună proteinele pliate greșit, Han a găsit cheia: apa. Mediul din jurul unei proteine, în special moleculele de apă, joacă un rol crucial în plierea și agregarea proteinelor. Mutația P301L pare să modifice direct structura proteinei tau și să modifice comportamentul moleculelor de apă din jurul acesteia.

„Apa este o moleculă lichidă, dar încă are structură”, a spus Han. „Mutația în peptidă ar putea duce la un aranjament mai structurat al moleculelor de apă în jurul locului de mutație. Această apă structurată influențează modul în care peptida interacționează cu alte molecule și le grupează împreună”.

Cu alte cuvinte, apa organizată lipește proteinele împreună și permite firelor individuale să se lege împreună într-o grămadă îngrijită. Fibrilele își folosesc apoi comportamentul asemănător prionilor pentru a recruta alte proteine ​​care să precipite și să se alăture stivei.

Ce urmează?

Echipa de cercetare se concentrează acum pe caracterizarea în continuare a proprietăților proteinelor sintetice asemănătoare prionilor. În cele din urmă, ei intenționează să investigheze potențiale aplicații, inclusiv dezvoltarea de noi abordări diagnostice și terapeutice pentru bolile legate de TAU.

„Odată ce se formează o fibrilă tau, aceasta nu dispare”, a spus Han. „Va apuca tau naiv și îl va plia în aceeași formă. Poate face asta pentru totdeauna. Dacă ne putem da seama cum să blocăm această activitate, putem descoperi noi agenți terapeutici”.

Studiul, „Designul apei este cheia formării prionilor Tau”, a fost susținut de National Institutes of Health (numerele de grant R01AG05605 și R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft și Fundația WM Keck.

Surse: