Syntetický proteín tau odhaľuje dôležité poznatky o nesprávnom skladaní proteínov a tvorbe vlákien

Syntetický proteín tau odhaľuje dôležité poznatky o nesprávnom skladaní proteínov a tvorbe vlákien

Vedci z Northwestern University a University of California v Santa Barbare vytvorili prvý syntetický fragment proteínu tau, ktorý pôsobí ako prión. „Miniprión“ sa skladá a skladá sa do vlákien (alebo fibríl) nesprávne poskladaných tau proteínov, ktoré potom prenášajú svoju abnormálne poskladanú formu na iné normálne tau proteíny.

Nesprávne poskladané proteíny podobné priónom riadia progresiu tauopatií, skupiny neurodegeneratívnych ochorení – vrátane Alzheimerovej choroby – prostredníctvom abnormálnej akumulácie nesprávne poskladaného proteínu tau v mozgu. Štúdiom minimálnej syntetickej verzie ľudského tau v plnej dĺžke môžu vedci lepšie obnoviť štruktúru vlákien, ktorá obsahuje nesprávne poskladané proteíny tau. To by mohlo potenciálne viesť k cieleným diagnostickým a terapeutickým nástrojom, ktoré sú naliehavo potrebné pre neurodegeneratívne ochorenia.

Počas vývoja syntetického proteínu vedci tiež odhalili nové poznatky o úlohe vody okolo povrchu proteínu pri riadení procesu nesprávneho skladania. Mutácia bežne používaná na modelovanie chorôb súvisiacich s TAU jemne mení dynamickú štruktúru vody v prostredí bezprostredne obklopujúcom proteín tau, zistili vedci. Táto zmenená vodná štruktúra ovplyvňuje schopnosť proteínu prevziať svoj abnormálny tvar.

Štúdia bude zverejnená v týždni od 28. aprílaZborník tejto Národnej akadémie vied.

"Rozsah neurodegeneratívnych ochorení zahŕňajúcich proteín tau je obzvlášť široký," povedal Songi Han z Northwestern, ktorý viedol štúdiu. "Zahŕňa chronickú traumatickú encefalopatiu, ktorá sa vyskytuje u futbalistov po traume hlavy, kortikobazálnej degenerácii alebo progresívnej supernukleárnej obrne. Vytvorte samo sa šíriace fragmenty tau, ktoré môžu produkovať štruktúru fibríl a poruchu jedinečnej prednej prednej prednej prednej tauopatie.

Han je Mark a Nancy Ratneroví profesori chémie na Northwestern's Neeinberg College of Arts and Sciences a členom Inštitútu pre chémiu životných procesov, absolventského programu aplikovanej fyziky, Medzinárodného inštitútu nanotechnológie, Inštitútu udržateľnosti a energie Pauly M. Trienensovej a Inštitútu pre výskum a inžinierstvo kvantových informácií. Michael Vigers, bývalý Ph.D. Študent v Hansovom laboratóriu viedol štúdiu a je prvým autorom. Medzi spoluautorov UC Santa Barbara patria Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea a M. Scott Shell. Prácu umožnilo aj niekoľko študentov a postdoktorandov vrátane Saeeda Najafiho, Samuela Loba, Karen Tsay, Austina Duboseho a Andrewa P. Longhiniho.

Reťazová reakcia nesprávnych záhybov

Pri mnohých neurodegeneratívnych ochoreniach sa proteíny skladajú do škodlivých, vysoko usporiadaných vlákien, ktoré v konečnom dôsledku poškodzujú zdravie mozgu, ale je ťažké ich diagnostikovať. Keď sa normálny proteín stretne s patologickými tau fibrilami, normálny proteín sa zmení, aby sa prispôsobil nesprávne poskladanému tvaru. Tento proces vedie k reťazovej reakcii, v ktorej sa viac a viac proteínov transformuje do nesprávne zloženého stavu agregácie. Aj keď je toto správanie podobné priónom, nezahŕňa skutočné prióny, ktoré môžu šíriť infekčné choroby z človeka na človeka.

Pomocou kryogénnej elektrónovej mikroskopie (cryo-EM) vedci vyriešili štruktúru fibríl zo vzoriek mozgového tkaniva. Hoci dizajn konštrukcie bol významným prelomom, vzorky mozgu je možné získať až po smrti pacienta. Napriek dramatickému pokroku a intenzívnemu záujmu o túto oblasť je definitívna diagnóza neurodegeneratívnych ochorení súvisiacich s TAU možná až po smrti.

Dnes, keď ľudia vykazujú známky neurodegeneratívneho ochorenia, nie je diagnostikované biomarkerom. Lekári určujú diagnózu vykonaním prieskumu pacienta a skúmaním súboru symptómov, ako sú spánkové vzorce a pamäť. Prekážkou je spoľahlivá generácia tau fibríl, ktoré rekonštituujú kritické a jedinečné choroby, aby slúžili ako ciele pre vývoj diagnostických stratégií. “

Songi Han, Severozápadná univerzita

Zjednodušený model

Na riešenie súčasnej výzvy sa Han a jej tím snažili vyvinúť syntetický tau proteín podobný priónu. Namiesto toho, aby znovu vytvoril celú dĺžku proteínu, ktorý je dlhý a nepraktický, sa Hanov tím zameral na určenie najkratšieho kusu tau, ktorý by stále mohol nadobudnúť nesprávne zložený tvar a vytvoriť fibrily podobné chorobe.

Nakoniec sa Han a jej tím zamerali na krátky segment tau s názvom JR2R3, ktorý má len 19 segmentov aminokyselín. Segment obsahuje mutáciu s názvom P301L, ktorá sa bežne vyskytuje pri mnohých ochoreniach. Výskumníci zistili, že tento krátky peptid by mohol tvoriť škodlivé vlákna, ktoré sú charakteristickým znakom týchto chorôb a pôsobia ako „semeno“ na kompartmentalizáciu nesprávneho poskladania a agregácie tau proteínov s plnou dĺžkou.

„Vyrobili sme mini verziu, ktorá sa ľahšie ovláda,“ povedal Han. "Ale robí to isté, čo verzia s plnou dĺžkou. Vysievajú sa a spôsobujú, že normálny tau proteín nesprávne poskladá fibrily a spojí sa."

Tím použil kryo-EM na preskúmanie štruktúry syntetických fibríl. Zistili, že mutácia P301L uľahčuje špecifický typ nesprávneho poskladania, ktorý sa bežne pozoruje vo vzorkách od pacientov s neurodegeneráciou. Zistenie naznačuje, že mutácia hrá kľúčovú úlohu pri nasmerovaní proteínu do nesprávneho poskladania.

Tvar vody

Han ďalej chcel pochopiť, ako sa pôvodne neusporiadané proteíny tau stanú vysoko usporiadanými vláknitými štruktúrami. Záhadný jav prirovnala k hádzaniu prameňov bezvládnych špagiet a očakávaniu, že vytvoria úhľadnú kôpku.

"Je nemožné, aby sa vnútorne neusporiadaný proteín prirodzene dostal do dokonalého záhybu a hromady, ktorá sa môže navždy regenerovať," povedal Han. "Nedáva to zmysel."

Po hypotéze, že niečo musí držať nesprávne poskladané proteíny pohromade, Han našiel kľúč: vodu. Prostredie obklopujúce proteín, najmä molekuly vody, zohrávajú kľúčovú úlohu pri skladaní a agregácii proteínov. Zdá sa, že mutácia P301L priamo mení štruktúru tau proteínu a mení správanie molekúl vody okolo neho.

"Voda je tekutá molekula, ale stále má štruktúru," povedal Han. "Mutácia v peptide by mohla viesť k štruktúrovanejšiemu usporiadaniu molekúl vody okolo miesta mutácie. Táto štruktúrovaná voda ovplyvňuje, ako peptid interaguje s inými molekulami a zoskupuje ich."

Inými slovami, organizovaná voda spája proteíny dohromady a umožňuje jednotlivým vláknam spojiť sa do úhľadnej hromady. Fibrily potom využijú svoje priónové správanie na nábor iných proteínov, aby sa vyzrážali a spojili sa so zväzkom.

čo bude ďalej?

Výskumný tím sa teraz zameriava na ďalšiu charakterizáciu vlastností syntetických priónových proteínov. Nakoniec plánujú preskúmať potenciálne aplikácie vrátane vývoja nových diagnostických a terapeutických prístupov pre choroby súvisiace s TAU.

"Akonáhle sa vytvorí tau fibrila, nezmizne," povedal Han. "Uchopí naivné tau a zloží ho do rovnakého tvaru. Môže to robiť navždy a navždy. Ak dokážeme prísť na to, ako túto aktivitu zablokovať, môžeme odhaliť nové terapeutické látky."

Štúdiu „Vodný dizajn je kľúčom k tvorbe priónov Tau“ podporili National Institutes of Health (čísla grantov R01AG05605 a R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft a WM Keck Foundation.

Zdroje: