Det syntetiska tau-proteinet avslöjar viktiga insikter om proteinfelveckning och fibrillerbildning

Det syntetiska tau-proteinet avslöjar viktiga insikter om proteinfelveckning och fibrillerbildning

Forskare vid Northwestern University och University of California, Santa Barbara har skapat det första syntetiska fragmentet av tau-proteinet som fungerar som en prion. "Mini-prion" viker och staplar till strängar (eller fibriller) av felveckade tau-proteiner, som sedan överför sin onormalt vikta form till andra normala tau-proteiner.

Felveckade prionliknande proteiner driver utvecklingen av tauopatier, en grupp neurodegenerativa sjukdomar – inklusive Alzheimers sjukdom – genom onormal ackumulering av felveckat tau-protein i hjärnan. Genom att studera en minimal, fullängds syntetisk version av mänsklig tau, kan forskare bättre återskapa fibrillstrukturen som innehåller felveckade tau-proteiner. Detta skulle potentiellt kunna leda till riktade diagnostiska och terapeutiska verktyg som är akuta nödvändiga för neurodegenerativa sjukdomar.

Under utvecklingen av det syntetiska proteinet avslöjade forskarna också nya insikter om vattnets roll runt proteinytan för att styra felveckningsprocessen. En mutation som vanligtvis används för att modellera TAU-relaterade sjukdomar förändrar subtilt den dynamiska strukturen av vatten i miljön som omedelbart omger tau-proteinet, fann forskarna. Denna förändrade vattenstruktur påverkar proteinets förmåga att anta sin onormala form.

Studien kommer att publiceras veckan den 28 aprilProceedings of this National Academy of Sciences.

"Omfattningen av neurodegenerativa sjukdomar som involverar proteinet tau är särskilt brett", säger Northwesterns Songi Han, som ledde studien. "Det inkluderar kronisk traumatisk encefalopati som uppstår hos fotbollsspelare efter huvudtrauma, kortikobasal degeneration eller progressiv supernukleär pares. Generera självförökande tau-fragment som kan producera fibrillstrukturen och felfunktion av den unika främre främre främre anterior tauopatin.

Han är Mark och Nancy Ratner professor i kemi vid Northwesterns Neeinberg College of Arts and Sciences och medlem av Institute for the Chemistry of Life Processes, Applied Physics Graduate Program, International Institute of Nanotechnology, Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy, och Institute for Quantum Information Research and Engineering. Michael Vigers, en före detta Ph.D. Student i Hans laboratorium ledde studien och är förstaförfattare. Medförfattare till UC Santa Barbara inkluderar Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea och M. Scott Shell. Arbetet möjliggjordes också av flera studenter och postdoktorer, inklusive Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose och Andrew P. Longhini.

En kedjereaktion av felaktiga veck

I många neurodegenerativa sjukdomar viker proteinerna ihop sig till skadliga, välordnade fibriller som i slutändan skadar hjärnans hälsa men är svåra att diagnostisera. När ett normalt protein möter de patologiska tau-fibrillerna ändras det normala proteinet för att anpassa sig till den felvikta formen. Denna process leder till en kedjereaktion där fler och fler proteiner omvandlas till det felveckade aggregationstillståndet. Även om detta beteende är prionliknande, involverar det inte faktiska prioner, som kan sprida infektionssjukdomar från person till person.

Med hjälp av kryogen elektronmikroskopi (cryo-EM) löste forskarna strukturen hos fibriller från prover av hjärnvävnad. Även om utformningen av strukturen var ett betydande genombrott, kan hjärnprover endast erhållas efter en patients död. Trots de dramatiska framstegen och det intensiva intresset för detta område är den definitiva diagnosen av TAU-relaterade neurodegenerativa sjukdomar endast möjlig efter döden.

Idag, när människor visar tecken på en neurodegenerativ sjukdom, diagnostiseras den inte med en biomarkör. Läkare bestämmer diagnosen genom att administrera en patientundersökning och undersöka en samling symtom som sömnmönster och minne. Flaskhalsen är den pålitliga generationen av tau-fibriller som rekonstituerar de kritiska och unika sjukdomarna för att fungera som mål för utveckling av diagnostiska strategier. "

Songi Han, Northwestern University

En förenklad modell

För att möta den aktuella utmaningen försökte Han och hennes team utveckla ett syntetiskt, prionliknande tau-protein. Istället för att återskapa hela längden av proteinet, som är långt och otympligt, strävade Hans team efter att bestämma den kortaste biten av tau som fortfarande kunde anta en felvikt form och bilda sjukdomsliknande fibriller.

Till slut fokuserade Han och hennes team på ett kort segment av tau, kallat JR2R3, som bara är 19 aminosyrasegment långt. Segmentet innehåller en mutation som kallas P301L, som är vanligt förekommande i många sjukdomar. Forskarna fann att denna korta peptid kunde bilda de skadliga fibrillerna som är kännetecknet för dessa sjukdomar, och fungera som ett "frö" för att uppdela felveckningen och aggregeringen av fullängds tau-proteiner.

"Vi gjorde en miniversion som är lättare att kontrollera," sa Han. "Men den gör samma saker som fullängdsversionen. De frös och gör att normalt tau-protein felveck fibrillerna och binder ihop."

Teamet använde cryo-EM för att undersöka strukturen hos de syntetiska fibrillerna. De fann att P301L-mutationen underlättar en specifik typ av felveckning som vanligtvis observeras i prover från patienter med neurodegeneration. Fyndet tyder på att mutationen spelar en avgörande roll för att styra proteinet till felveckning.

Vattens form

Han ville sedan förstå hur de initialt oordnade tau-proteinerna blir högordnade fibrillstrukturer. Hon liknade det mystiska fenomenet med att slänga ihop trådar av slapp spagetti och förvänta sig att de skulle bilda en prydlig hög.

"Det är omöjligt att ett naturligt stört protein naturligt skulle falla i en perfekt veck och stack som kan regenereras för alltid," sa Han. "Det är ingen mening."

Efter att ha antagit att något måste hålla ihop de felveckade proteinerna hittade Han nyckeln: vatten. Miljön som omger ett protein, särskilt vattenmolekylerna, spelar en avgörande roll för proteinveckning och aggregation. P301L-mutationen verkar direkt förändra strukturen av tau-proteinet och ändra beteendet hos vattenmolekyler runt det.

"Vatten är en flytande molekyl, men den har fortfarande struktur," sa Han. "Mutationen i peptiden kan resultera i ett mer strukturerat arrangemang av vattenmolekyler runt mutationsplatsen. Detta strukturerade vatten påverkar hur peptiden interagerar med andra molekyler och grupperar dem tillsammans."

Med andra ord, organiserat vatten håller ihop proteinerna och låter enskilda strängar binda ihop till en snygg hög. Fibrillerna använder sedan sitt prionliknande beteende för att rekrytera andra proteiner för att fälla ut och gå med i stapeln.

Vad händer härnäst?

Forskargruppen fokuserar nu på att ytterligare karakterisera egenskaperna hos de syntetiska prionliknande proteinerna. I slutändan planerar de att undersöka potentiella tillämpningar, inklusive utveckling av nya diagnostiska och terapeutiska metoder för TAU-relaterade sjukdomar.

"När en tau-fibril väl har bildats försvinner den inte", sa Han. "Den kommer att ta tag i naiv tau och vika den till samma form. Den kan göra detta för evigt och alltid. Om vi ​​kan ta reda på hur vi blockerar denna aktivitet kan vi upptäcka nya terapeutiska medel."

Studien, "Water Design is Key to Tau Prion Formation", stöddes av National Institutes of Health (bidragsnummer R01AG05605 och R35GM136411), Deutsche Forschungsgemaft och WM Keck Foundation.

Källor: