Среди признаков болезни Альцгеймера – фибриллы Альцгеймера, отложения белка тау, которые накапливаются в нервных клетках в виде волокон и нарушают связь между нервными клетками. Но как происходит формирование этого волокна? Почему такие вредные отложения развиваются из первоначально полезного белка тау, который в норме стабилизирует клетки? Этот вопрос был рассмотрен группой исследователей из Университета Констанца и Утрехтского университета (Нидерланды) во главе с химиком из Констанца профессором Малте Дрешером. Используя структурный анализ, исследователи выявили удивительный биохимический механизм, в котором молекулярный шаперон – белок-помощник – играет необычную роль. Результаты исследования будут опубликованы 13 марта 2020 года в журнале Science Advances. и доступны в виде препринта на Biorxiv.
В отличие от большинства других белков, тау не имеет четко определенной структуры: тау является по своей природе нарушенным белком, который может принимать различные формы. «Мы можем представить это как веревку: иногда она может быть вытянутой, иногда изогнутой, иногда петлевой», – говорит Малте Дрешер. Несмотря на все различия, тау имеет тенденцию принимать характерно изогнутую структуру, сравнимую с формой скрепки.
Необычный молекулярный шаперон
Особенность возникает, как только шаперон HSP-90 (Heat Shock Protein 90) встречается с тау. «Обычно работа шаперонов заключается в том, чтобы привести вновь продуцированные белки в правильную форму. Таким образом, они оказывают вспомогательную функцию в развитии структуры белка. Нам было интересно: какова могла бы быть их вспомогательная функция в белке с нарушенной природой, таком как тау?” говорит Дрешер.
Используя структурный анализ, Дрешер и его команда смогли показать, что компаньон заставляет раскрыться конформацию тау-скрепки тау: он сгибает «скобки» скрепки наружу. «Область в середине скрепки, таким образом, обнажается и становится доступной. Эта область, как известно, отвечает за агрегацию, то есть за присоединение дополнительных тау-белков к молекуле», – объясняет биофизик Сабрина Вейкерт, ведущий автор исследования. и докторский исследователь под руководством Малте Дрешера. Поэтому в их развернутой форме молекулы тау могут быть сложены друг на друга с идеальной посадкой (олигомеризация).
«Эта олигомеризация с помощью HSP-90 стала большим сюрпризом, – объясняет Малте Дрешер, – на самом деле шаперон отвечает за совершенно противоположное: он должен приводить белок в определенную форму и ни при каких обстоятельствах не способствовать образованию «Куча белка», – говорит Дрешер.
Ответственный за болезнь Альцгеймера или тайно защитный механизм?
Является ли присутствие шаперона, таким образом, предпосылкой для образования фибрилл Альцгеймера? Является ли шаперон из всех молекул в конечном счете причиной развития болезни Альцгеймера? Исследователи будут заниматься этим вопросом в дальнейших исследованиях. Однако Малте Дрешер подозревает с точностью до наоборот: «Я бы поспорил с точностью до наоборот: это может быть даже уловка, которую организм делает, чтобы предотвратить болезнь Альцгеймера», – говорит Дрешер. Тау-олигомеры, продуцируемые HSP-90, имеют одну важную особенность: они не продолжают расти, образуя типичные выраженные фибриллы Альцгеймера.
«Олигомеризация с помощью HSP-90 может быть защитным механизмом, при котором шаперон заставляет тау-белки образовывать небольшие слои олигомера. Хотя это не выгодно, он эффективно предотвращает образование более длинных фибрилл, характерных для болезни Альцгеймера», – предлагает Дрешер. , Если это предположение окажется верным, компаньон выполнит свою заявленную цель: в этом случае он предотвратит развитие длинных фибрилл Альцгеймера, превратив гамбит и связывая тау в более мелкие, менее опасные стеки.
Спин этикетки
Размер белка тау составляет всего несколько нанометров, то есть миллиардная доля метра, и он не виден невооруженным глазом или световым микроскопом. В противном случае типичные эксперименты по определению структуры, такие как рентгеноструктурный анализ, оказываются неудачными, потому что тау как свойственно нарушенный белок является чрезвычайно гибким. Для того, чтобы определить структурные изменения белкаВ любом случае, исследователи прибегли к сложному методу: они прикрепили крошечные молекулы зондов, «спиновые метки», к ключевым позициям молекулы, включая внешние «скобки» конформации скрепки. «Датчики магнитные и чувствуют друг друга. Мы измеряем взаимодействие между датчиками и, таким образом, можем определить расстояние между их положениями», – объясняет Малте Дрешер. Таким образом, они могут косвенно определять конформацию молекулы и ее структурные изменения.
Серия экспериментов проводилась in vitro с очищенными молекулами тау и HSP-90 в пробирке. «Теперь мы хотим перенести эксперимент в клетку, чтобы наблюдать биохимический механизм в реальных условиях внутри клетки», – говорит Малте Дрешер, рассказывая о будущих исследованиях. Долгосрочная цель – лучше понять развитие болезни Альцгеймера и найти способы ее предотвращения.