Sintetični protein tau razkriva pomembne vpoglede v napačno zlaganje beljakovin in tvorbo fibril

Sintetični protein tau razkriva pomembne vpoglede v napačno zlaganje beljakovin in tvorbo fibril

Znanstveniki na Northwestern University in University of California v Santa Barbari so ustvarili prvi sintetični fragment proteina tau, ki deluje kot prion. »Mini-prion« ​​se zloži in zloži v pramene (ali fibrile) napačno zvitih proteinov tau, ki nato prenesejo svojo nenormalno zvito obliko na druge normalne proteine ​​tau.

Napačno zvite beljakovine, podobne prionom, spodbujajo napredovanje tauopatij, skupine nevrodegenerativnih bolezni – vključno z Alzheimerjevo boleznijo – z nenormalnim kopičenjem napačno zvitega proteina tau v možganih. S preučevanjem minimalne sintetične različice človeškega tau v polni dolžini lahko znanstveniki bolje poustvarijo strukturo fibrila, ki vsebuje napačno zvite proteine ​​tau. To bi lahko vodilo do ciljnih diagnostičnih in terapevtskih orodij, ki so nujno potrebna za nevrodegenerativne bolezni.

Med razvojem sintetičnega proteina so znanstveniki razkrili tudi nove vpoglede v vlogo vode okoli površine proteina pri vodenju procesa napačnega zvijanja. Raziskovalci so ugotovili, da mutacija, ki se običajno uporablja za modeliranje bolezni, povezanih s TAU, subtilno spremeni dinamično strukturo vode v okolju, ki neposredno obdaja protein tau. Ta spremenjena vodna struktura vpliva na sposobnost beljakovine, da prevzame svojo nenormalno obliko.

Študija bo objavljena v tednu od 28. aprilaZbornik te nacionalne akademije znanosti.

"Obseg nevrodegenerativnih bolezni, ki vključujejo protein tau, je še posebej širok," je povedal Songi Han iz Northwestern, ki je vodil študijo. "Vključuje kronično travmatsko encefalopatijo, ki se pojavi pri nogometaših po poškodbi glave, kortikobazalni degeneraciji ali progresivni supernuklearni paralizi. Ustvarjanje samorazmnožujočih se tau fragmentov, ki lahko povzročijo fibrilno strukturo in okvaro edinstvene anteriorne anteriorne anteriorne anteriorne tauopatije.

Han je Mark in Nancy Ratner profesor kemije na Northwestern's Neeinberg College of Arts and Sciences in član Inštituta za kemijo življenjskih procesov, podiplomskega programa uporabne fizike, Mednarodnega inštituta za nanotehnologijo, Inštituta Paula M. Trienens za trajnost in energijo ter Inštituta za kvantne informacijske raziskave in inženiring. Michael Vigers, nekdanji dr. Študent v Hansovem laboratoriju je vodil študijo in je prvi avtor. Soavtorji UC Santa Barbara so Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea in M. Scott Shell. Delo je omogočilo tudi več študentov in podoktorskih sodelavcev, med njimi Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose in Andrew P. Longhini.

Verižna reakcija nepravilnih gub

Pri številnih nevrodegenerativnih boleznih se beljakovine zvijejo v škodljive, visoko urejene fibrile, ki na koncu poškodujejo zdravje možganov, vendar jih je težko diagnosticirati. Ko normalna beljakovina naleti na patološke tau fibrile, se normalna beljakovina spremeni v skladu z napačno zloženo obliko. Ta proces vodi v verižno reakcijo, v kateri se vedno več beljakovin spremeni v napačno zloženo agregacijsko stanje. Čeprav je to vedenje podobno prionom, ne vključuje dejanskih prionov, ki lahko prenašajo nalezljive bolezni s človeka na človeka.

Z uporabo kriogene elektronske mikroskopije (cryo-EM) so raziskovalci rešili strukturo fibril iz vzorcev možganskega tkiva. Čeprav je bila zasnova strukture pomemben preboj, je vzorce možganov mogoče pridobiti šele po pacientovi smrti. Kljub dramatičnemu napredku in velikemu zanimanju za to področje je dokončna diagnoza nevrodegenerativnih bolezni, povezanih s TAU, možna šele po smrti.

Danes, ko ljudje kažejo znake nevrodegenerativne bolezni, je ne diagnosticirajo z biomarkerjem. Zdravniki postavijo diagnozo tako, da opravijo anketo bolnika in pregledajo zbirko simptomov, kot so vzorci spanja in spomin. Ozko grlo je zanesljiva generacija tau fibril, ki rekonstituirajo kritične in edinstvene bolezni, da služijo kot tarče za razvoj diagnostičnih strategij. “

Songi Han, Northwestern University

Poenostavljen model

Za reševanje trenutnega izziva sta Han in njena ekipa skušala razviti sintetični, prionu podoben protein tau. Namesto da bi poustvarili celotno dolžino proteina, ki je dolg in okoren, je Hanova ekipa želela določiti najkrajši kos tau, ki bi še vedno lahko prevzel napačno obliko in tvoril bolezni podobna fibrila.

Končno sta se Han in njena ekipa osredotočila na kratek segment tau, imenovan JR2R3, ki je dolg le 19 segmentov aminokislin. Segment vsebuje mutacijo, imenovano P301L, ki jo običajno najdemo pri številnih boleznih. Raziskovalci so ugotovili, da bi ta kratek peptid lahko tvoril škodljive fibrile, ki so znak teh bolezni, in deloval kot "seme" za delitev napačnega zlaganja in združevanja tau proteinov polne dolžine.

"Naredili smo mini različico, ki jo je lažje nadzorovati," je dejal Han. "Ampak počne vse enake stvari kot različica polne dolžine. Sejajo in povzročijo, da običajni protein tau napačno zloži vlakna in se poveže."

Ekipa je uporabila cryo-EM za preučevanje strukture sintetičnih vlaken. Ugotovili so, da mutacija P301L olajša določeno vrsto napačnega zvijanja, ki ga običajno opazimo pri vzorcih bolnikov z nevrodegeneracijo. Ugotovitev kaže, da ima mutacija ključno vlogo pri usmerjanju beljakovin v napačno zlaganje.

Oblika vode

Han je nato želel razumeti, kako prvotno neurejeni tau proteini postanejo visoko urejene fibrilne strukture. Skrivnostni pojav je primerjala z metanjem pramenov mlahavih špagetov skupaj in pričakovanjem, da bodo tvorili čeden kup.

"Nemogoče je, da bi intrinzično neurejeni protein naravno padel v popolno gubo in sklad, ki se lahko regenerira za vedno," je dejal Han. "Nima smisla."

Po hipotezi, da mora nekaj držati napačno zvite proteine ​​skupaj, je Han našel ključ: vodo. Okolje, ki obdaja beljakovine, zlasti molekule vode, igrajo ključno vlogo pri zvijanju in agregaciji beljakovin. Zdi se, da mutacija P301L neposredno spremeni strukturo proteina tau in spremeni obnašanje vodnih molekul okoli njega.

"Voda je tekoča molekula, vendar ima še vedno strukturo," je dejal Han. "Mutacija v peptidu bi lahko povzročila bolj strukturirano razporeditev vodnih molekul okoli mesta mutacije. Ta strukturirana voda vpliva na to, kako peptid medsebojno deluje z drugimi molekulami in jih združuje."

Z drugimi besedami, organizirana voda zlepi beljakovine skupaj in omogoči, da se posamezne niti povežejo v čeden kup. Vlakna nato uporabijo svoje prionsko podobno vedenje, da pridobijo druge proteine, da se oborijo in pridružijo nizu.

kaj sledi

Raziskovalna skupina se zdaj osredotoča na nadaljnjo karakterizacijo lastnosti sintetičnih prionom podobnih proteinov. Končno nameravajo raziskati potencialne aplikacije, vključno z razvojem novih diagnostičnih in terapevtskih pristopov za bolezni, povezane s TAU.

"Ko se tau fibril oblikuje, ne izgine," je dejal Han. "Zgrabil bo naivni tau in ga zložil v isto obliko. To lahko počne za vedno. Če lahko ugotovimo, kako blokirati to dejavnost, lahko odkrijemo nova terapevtska sredstva."

Študijo »Vodni načrt je ključ do nastajanja priona Tau« so podprli Nacionalni inštituti za zdravje (štivilki donacije R01AG05605 in R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft in Fundacija WM Keck.

Viri: