Темная сторона белков
28.04.2010
3220
0
32200
Среди всех изменений, которым могут подвергнуться белки, формирование амилоидов - худший из всех вариантов. Установлено, что накопление в тканях мозга амилоидов является причиной таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и болезнь Крейтцфельдта-Якоба.
До недавнего времени считалось, что лишь малая часть белков может формировать амилоиды, но последние исследования свидетельствуют об обратном. Ученые из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (University of California) (США) под руководством Дэвида Эйзенберга (David Eisenberg) проанализировали десятки тысяч белков в поисках так называемых «липких» участков со специфической структурой, необходимой для формирования амилоидов. Исследователи обнаружили, что почти все сложные белки содержат короткие участки, способные инициировать образование амилоидов.
Конечно, не все белки формируют амилоиды. У многих из них «липкие» сегменты находятся внутри молекулы и, таким образом, белки сохраняют свою структуру стабильной, не «склеиваясь» с другими белками в клетке. Для образования амилоидов «липкие» участки должны располагаться на поверхности белковой молекулы. Результаты, полученные Эйзенбергом и другими учеными, позволяют предположить, что в эволюции сохранялись именно те белки, чьи «липкие» участки спрятаны внутрь молекулы, то есть белки, не способные образовывать амилоиды и приводить таким образом к гибели клетки. Амилоиды были обнаружены при некоторых распространенных возрастных заболеваний, и есть доказательства, что старение само по себе делает накопление амилоида неизбежным.
«Амилоидное состояние больше напоминает обычное нарушение функции белка, и в отсутствии специфических защитных механизмов многие наши белки могут оказаться в таком состоянии», - говорит Крис Добсон (Chris Dobson), биолог из Университета Кембриджа (University of Cambridge) (Великобритания). Ученые из многих лабораторий в настоящее время пытаются найти способы усовершенствования молекулярных защитных механизмов клетки с целью лечения и предотвращения заболеваний, связанных с накоплением амилоидов. «Прогресс в понимании природы амилоидов будет способствовать появлению новых классов препаратов для лечения возрастных заболеваний», - говорит Сэм Ганди (Sam Gandy), нейробиолог и врач из Школы Медицины горы Синай (Mount Sinai School of Medicine) при Нью-Йоркском Университете (США).
Изобилие фибрилл
Недавние исследования амилоидов отчасти подтвердили предположение, сделанное 75 лет назад британским биофизиком Вильямом Астбэри (William Astbury). При синтезе белка формируется цепочка аминокислот, но большинство белков затем складывается в сложные трехмерные комплексы. Астбэри предположил, что почти все сложные белковые молекулы могут формировать нефункциональные фибриллы путем денатурации (изменения природной структуры молекулы белка под воздействием физических или химических свойств среды). К 1980 г. исследователи пришли к пониманию того, что эти нефункциональные фибриллы имеют ту же специфическую структуру, что и вызывающие заболевания амилоиды, такие как бета-амилоид, накапливающийся в нейронах головного мозга при болезни Альцгеймера. «Предыдущая парадигма гласила о том, что белок сначала теряет свою структуру, а затем складывается в фибриллу», - говорит Эйзенберг.
К 1999 г. стало ясно, что множество белков могут формировать амилоиды. Добсон предположил, что первичная структура белка, представляющая собой цепочку из аминокислот, обладает значительной «липкостью» [2]. Ученые находили все больше и больше белков, связанных с заболеванием, как то: тау-белки при болезни Альцгеймера, альфа-синуклеин при болезни Паркинсона, полиглутамин при болезни Гентингтона, прионы при болезни Крейтцфельдта-Якоба и амилин при сахарном диабете II типа [3].
Эйзенберг с коллегами изучили такие белки и обнаружили, что их способность формировать амилоиды проявляется благодаря специфическим участкам длиной по 6 аминокислот, которые оказываются на поверхности молекулы в случае нарушения конформации белка или его неправильного фолдинга (процесс складывания фибрилл в трехмерную структуру при образовании сложных белков) [4].
Ученые выяснили, что эти «амилоидогенные» участки белка имеют само-комплементарную пространственную структуру по типу застежки молнии, которая позволяет им крепко сцепляться с идентичными участками другого белка [5]. Некоторые такие участки и дают начало амилоидам: они складываются один на другой, образуя единый пласт, и два сегмента соединяются между собой по типу застежки молнии, формируя остов фибриллы. По мере роста фибриллы она окаймляется участками собственных белков организма. В конце концов, такая растущая фибрилла разбивается на 2 части, каждая из которых вновь начинает расти с обоих концов – и так далее.
В своем исследовании [1] Эйзенберг с коллегами применили компьютерное моделирование. Зная генетический код белка и последовательность аминокислот в его первичной фибриллярной структуре, с помощью специально разработанной программы можно было определить, есть ли у белка или его определенного участка потенциал для образования пространственной структуры по типу застежки молнии. Затем ученые применили эту же программу на геноме человека, дрожжей и бактерии Escherichia coli. В итоге было обнаружено, что искомым свойством обладает около 15% коротких белковых участков, кодируемых генами этих организмов. «Получается, что большинство белков содержит по крайней мере несколько «амилоидогенных» сегментов», - говорит Эйзенберг.
«Эта работа поможет прояснить вопрос, почему денатурация белка часто приводит его к амилоидному состоянию, - говорит Джеффри Келли (Jeffery Kelly), биолог и специалист по амилоидам из Исследовательского Института Скриппса (Scripps Research Institute) в Лойоле (Калифорния, США),- Она также позволит понять, почему некоторые белки должны частично денатурировать перед началом формирования амилоидов».
Эйзенберг, Добсон и другие исследователи считают, что свойство само-комплементарности некоторых коротких белковых участков могло быть необходимо для создания полезного «строительного материала» на ранних этапах жизни на Земле. Более того, ученые уже выявили белки, которые нормально функционируют и в виде амилоидов, например, некоторые гормоны [6]. «В настоящий момент мы знаем уже более двух десятков естественных амилоидов», - говорит Эйзенберг.
Сегменты белков со структурами типа застежки молнии крепко сцепляются, формируя остов амилоидной фибриллы (фото: M. R. Sawaya).
По словам Келли, все естественные амилоиды находятся в организме под жестким контролем: например, они могут поглощаться особыми мембранными органоидами клетки – везикулами. Это помогает клетке избежать негативных последствий.
Большинство белков в норме складывается в глобулярные структуры. Их конформация слишком сложна, чтобы они могли эволюционировать случайным образом. «Если бы у вас была машина, производящая белковые последовательности в случайном порядке, вы бы очень редко получали белок, который оставался бы стабильным в глобулярном растворимом состоянии», - говорит Добсон.
Во время и после завершения синтеза белка контроль над поддержанием его нормальной структуры осуществляют специальные небольшие белки, называемые шаперонами и шаперонинами. Таким образом предотвращается образование амилоидных структур. Также существуют и другие молекулярные системы, способные распознавать, изолировать и разрушать амилоиды в случае их формирования.
Естественная конформация белка хорошо защищена. Эйзенберг с коллегами изучили более 12 тысяч белков с известной третичной глобулярной структурой и выяснили, что 95% предсказанных программой амилоидных участков этих белков находятся внутри их структуры, а те, что находятся снаружи, имеют слишком сложную конформацию, чтоб соединиться с сегментами других белков [1]. «Эволюция большинства белков была направлена на укрывание амилоидных сегментов, - говорит Эйзенберг, - Так что, возможно, вовсе не обязательно было полностью избавляться от них».
Что происходит при старении?
Защитные механизмы, составляющие линию обороны клетки, с возрастом ослабевают. Некоторые мутации и токсины, а также истощение клетки, связанное со старением, могут привести к появлению белков, которые с трудом принимают правильную конформацию и в меньшей степени защищены шаперонами. Для таких белков вероятность сформировать амилоиды намного выше.
«Если бы мы могли просто усилить естественные защитные механизмы, стабилизирующие белок, - говорит Добсон, - мы бы смогли контролировать его стабильность и растворимость».
Амилоиды могут не быть первичной причиной заболеваний, при которых они обнаруживаются, но насчет их побочных продуктов такой уверенности нет. Большинство ученых считает, что при болезни Альцгеймера наиболее токсичными для клеток мозга являются маленькие растворимые формы амилоидов, а большие нерастворимые фибриллы в какой-то степени даже выполняют защитную функцию, изолируя более токсичные формы. Основная надежда возлагается на то, что, предотвращая или замедляя первоначальный каскад формирования амилоидов, будет возможно заблокировать образование действительно токсичных видов фибрилл.
Одна из анти-амилоидных стратегий заключается в использовании специальных шаперонов для снижения вероятности того, что амилоидогенные участки белков окажутся открытыми. Биотехнологическая компания FoldRx в Кембридже (Массачусетс, США) недавно продемонстрировала этот метод в клинических испытаниях для лечения амилоидной полиневропатии, смертельного нейродегенеративного заболевания.
По словам Эйзенберга, этот метод вряд ли будет хорошо работать против большинства амилоидных белков, таких как амилоид-бета, ибо эти белки слишком малы, чтоб сохранять свою постоянную конформацию. «Невозможно стабилизировать структуру таких белков, ибо ее в принципе нет», - говорит Эйзенберг. Его научная группа пытается создать компоненты, способные блокировать структуры типа застежки молнии на амилоидных фибриллах, снижая темпы их формирования в надежде, что это даст врожденным механизмам защиты клетки достаточное время, чтобы распознать образующиеся амилоиды и уничтожить их до того, как они уничтожат саму клетку.
Третья стратегия заключается в поддержке активности защитных механизмов, которые, по словам Келли, включают в себя выработку ферментов, разрушающих структуру амилоидов [7]. «Существует группа из 500-600 генов, чьи белковые продукты отвечают за защиту клетки в молодом возрасте, даже если у нас есть генетическая предрасположенность к болезням Паркинсона и Альцгеймера, - говорит он, - Найти способ восстановить эту систему – вот главная задача нашей лаборатории в настоящее время».
Литература:
1. Eisenberg, D. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 107, 3487-3492 (2010).
2. Dobson, C. M. Trends Biochem. Sci. 24, 329-332 (1999).
3. Aguzzi, A. Nature 459, 924-925 (2009).
4. Eisenberg, D. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 98, 2375-2380 (2001).
5. Nelson, R. et al. Nature 435, 773-778 (2005).
6. Maji, S. K. et al. Science 325, 328-332 (2009).
7. Kelly, J. W. et al. Prot. Sci. 19, 836-846 (2010).
По материалам:
NatureNews
До недавнего времени считалось, что лишь малая часть белков может формировать амилоиды, но последние исследования свидетельствуют об обратном. Ученые из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (University of California) (США) под руководством Дэвида Эйзенберга (David Eisenberg) проанализировали десятки тысяч белков в поисках так называемых «липких» участков со специфической структурой, необходимой для формирования амилоидов. Исследователи обнаружили, что почти все сложные белки содержат короткие участки, способные инициировать образование амилоидов.
Конечно, не все белки формируют амилоиды. У многих из них «липкие» сегменты находятся внутри молекулы и, таким образом, белки сохраняют свою структуру стабильной, не «склеиваясь» с другими белками в клетке. Для образования амилоидов «липкие» участки должны располагаться на поверхности белковой молекулы. Результаты, полученные Эйзенбергом и другими учеными, позволяют предположить, что в эволюции сохранялись именно те белки, чьи «липкие» участки спрятаны внутрь молекулы, то есть белки, не способные образовывать амилоиды и приводить таким образом к гибели клетки. Амилоиды были обнаружены при некоторых распространенных возрастных заболеваний, и есть доказательства, что старение само по себе делает накопление амилоида неизбежным.
«Амилоидное состояние больше напоминает обычное нарушение функции белка, и в отсутствии специфических защитных механизмов многие наши белки могут оказаться в таком состоянии», - говорит Крис Добсон (Chris Dobson), биолог из Университета Кембриджа (University of Cambridge) (Великобритания). Ученые из многих лабораторий в настоящее время пытаются найти способы усовершенствования молекулярных защитных механизмов клетки с целью лечения и предотвращения заболеваний, связанных с накоплением амилоидов. «Прогресс в понимании природы амилоидов будет способствовать появлению новых классов препаратов для лечения возрастных заболеваний», - говорит Сэм Ганди (Sam Gandy), нейробиолог и врач из Школы Медицины горы Синай (Mount Sinai School of Medicine) при Нью-Йоркском Университете (США).
Изобилие фибрилл
Недавние исследования амилоидов отчасти подтвердили предположение, сделанное 75 лет назад британским биофизиком Вильямом Астбэри (William Astbury). При синтезе белка формируется цепочка аминокислот, но большинство белков затем складывается в сложные трехмерные комплексы. Астбэри предположил, что почти все сложные белковые молекулы могут формировать нефункциональные фибриллы путем денатурации (изменения природной структуры молекулы белка под воздействием физических или химических свойств среды). К 1980 г. исследователи пришли к пониманию того, что эти нефункциональные фибриллы имеют ту же специфическую структуру, что и вызывающие заболевания амилоиды, такие как бета-амилоид, накапливающийся в нейронах головного мозга при болезни Альцгеймера. «Предыдущая парадигма гласила о том, что белок сначала теряет свою структуру, а затем складывается в фибриллу», - говорит Эйзенберг.
К 1999 г. стало ясно, что множество белков могут формировать амилоиды. Добсон предположил, что первичная структура белка, представляющая собой цепочку из аминокислот, обладает значительной «липкостью» [2]. Ученые находили все больше и больше белков, связанных с заболеванием, как то: тау-белки при болезни Альцгеймера, альфа-синуклеин при болезни Паркинсона, полиглутамин при болезни Гентингтона, прионы при болезни Крейтцфельдта-Якоба и амилин при сахарном диабете II типа [3].
Эйзенберг с коллегами изучили такие белки и обнаружили, что их способность формировать амилоиды проявляется благодаря специфическим участкам длиной по 6 аминокислот, которые оказываются на поверхности молекулы в случае нарушения конформации белка или его неправильного фолдинга (процесс складывания фибрилл в трехмерную структуру при образовании сложных белков) [4].
Ученые выяснили, что эти «амилоидогенные» участки белка имеют само-комплементарную пространственную структуру по типу застежки молнии, которая позволяет им крепко сцепляться с идентичными участками другого белка [5]. Некоторые такие участки и дают начало амилоидам: они складываются один на другой, образуя единый пласт, и два сегмента соединяются между собой по типу застежки молнии, формируя остов фибриллы. По мере роста фибриллы она окаймляется участками собственных белков организма. В конце концов, такая растущая фибрилла разбивается на 2 части, каждая из которых вновь начинает расти с обоих концов – и так далее.
В своем исследовании [1] Эйзенберг с коллегами применили компьютерное моделирование. Зная генетический код белка и последовательность аминокислот в его первичной фибриллярной структуре, с помощью специально разработанной программы можно было определить, есть ли у белка или его определенного участка потенциал для образования пространственной структуры по типу застежки молнии. Затем ученые применили эту же программу на геноме человека, дрожжей и бактерии Escherichia coli. В итоге было обнаружено, что искомым свойством обладает около 15% коротких белковых участков, кодируемых генами этих организмов. «Получается, что большинство белков содержит по крайней мере несколько «амилоидогенных» сегментов», - говорит Эйзенберг.
«Эта работа поможет прояснить вопрос, почему денатурация белка часто приводит его к амилоидному состоянию, - говорит Джеффри Келли (Jeffery Kelly), биолог и специалист по амилоидам из Исследовательского Института Скриппса (Scripps Research Institute) в Лойоле (Калифорния, США),- Она также позволит понять, почему некоторые белки должны частично денатурировать перед началом формирования амилоидов».
Эйзенберг, Добсон и другие исследователи считают, что свойство само-комплементарности некоторых коротких белковых участков могло быть необходимо для создания полезного «строительного материала» на ранних этапах жизни на Земле. Более того, ученые уже выявили белки, которые нормально функционируют и в виде амилоидов, например, некоторые гормоны [6]. «В настоящий момент мы знаем уже более двух десятков естественных амилоидов», - говорит Эйзенберг.
Сегменты белков со структурами типа застежки молнии крепко сцепляются, формируя остов амилоидной фибриллы (фото: M. R. Sawaya).
По словам Келли, все естественные амилоиды находятся в организме под жестким контролем: например, они могут поглощаться особыми мембранными органоидами клетки – везикулами. Это помогает клетке избежать негативных последствий.
Большинство белков в норме складывается в глобулярные структуры. Их конформация слишком сложна, чтобы они могли эволюционировать случайным образом. «Если бы у вас была машина, производящая белковые последовательности в случайном порядке, вы бы очень редко получали белок, который оставался бы стабильным в глобулярном растворимом состоянии», - говорит Добсон.
Во время и после завершения синтеза белка контроль над поддержанием его нормальной структуры осуществляют специальные небольшие белки, называемые шаперонами и шаперонинами. Таким образом предотвращается образование амилоидных структур. Также существуют и другие молекулярные системы, способные распознавать, изолировать и разрушать амилоиды в случае их формирования.
Естественная конформация белка хорошо защищена. Эйзенберг с коллегами изучили более 12 тысяч белков с известной третичной глобулярной структурой и выяснили, что 95% предсказанных программой амилоидных участков этих белков находятся внутри их структуры, а те, что находятся снаружи, имеют слишком сложную конформацию, чтоб соединиться с сегментами других белков [1]. «Эволюция большинства белков была направлена на укрывание амилоидных сегментов, - говорит Эйзенберг, - Так что, возможно, вовсе не обязательно было полностью избавляться от них».
Что происходит при старении?
Защитные механизмы, составляющие линию обороны клетки, с возрастом ослабевают. Некоторые мутации и токсины, а также истощение клетки, связанное со старением, могут привести к появлению белков, которые с трудом принимают правильную конформацию и в меньшей степени защищены шаперонами. Для таких белков вероятность сформировать амилоиды намного выше.
«Если бы мы могли просто усилить естественные защитные механизмы, стабилизирующие белок, - говорит Добсон, - мы бы смогли контролировать его стабильность и растворимость».
Амилоиды могут не быть первичной причиной заболеваний, при которых они обнаруживаются, но насчет их побочных продуктов такой уверенности нет. Большинство ученых считает, что при болезни Альцгеймера наиболее токсичными для клеток мозга являются маленькие растворимые формы амилоидов, а большие нерастворимые фибриллы в какой-то степени даже выполняют защитную функцию, изолируя более токсичные формы. Основная надежда возлагается на то, что, предотвращая или замедляя первоначальный каскад формирования амилоидов, будет возможно заблокировать образование действительно токсичных видов фибрилл.
Одна из анти-амилоидных стратегий заключается в использовании специальных шаперонов для снижения вероятности того, что амилоидогенные участки белков окажутся открытыми. Биотехнологическая компания FoldRx в Кембридже (Массачусетс, США) недавно продемонстрировала этот метод в клинических испытаниях для лечения амилоидной полиневропатии, смертельного нейродегенеративного заболевания.
По словам Эйзенберга, этот метод вряд ли будет хорошо работать против большинства амилоидных белков, таких как амилоид-бета, ибо эти белки слишком малы, чтоб сохранять свою постоянную конформацию. «Невозможно стабилизировать структуру таких белков, ибо ее в принципе нет», - говорит Эйзенберг. Его научная группа пытается создать компоненты, способные блокировать структуры типа застежки молнии на амилоидных фибриллах, снижая темпы их формирования в надежде, что это даст врожденным механизмам защиты клетки достаточное время, чтобы распознать образующиеся амилоиды и уничтожить их до того, как они уничтожат саму клетку.
Третья стратегия заключается в поддержке активности защитных механизмов, которые, по словам Келли, включают в себя выработку ферментов, разрушающих структуру амилоидов [7]. «Существует группа из 500-600 генов, чьи белковые продукты отвечают за защиту клетки в молодом возрасте, даже если у нас есть генетическая предрасположенность к болезням Паркинсона и Альцгеймера, - говорит он, - Найти способ восстановить эту систему – вот главная задача нашей лаборатории в настоящее время».
Литература:
1. Eisenberg, D. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 107, 3487-3492 (2010).
2. Dobson, C. M. Trends Biochem. Sci. 24, 329-332 (1999).
3. Aguzzi, A. Nature 459, 924-925 (2009).
4. Eisenberg, D. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 98, 2375-2380 (2001).
5. Nelson, R. et al. Nature 435, 773-778 (2005).
6. Maji, S. K. et al. Science 325, 328-332 (2009).
7. Kelly, J. W. et al. Prot. Sci. 19, 836-846 (2010).
По материалам:
NatureNews
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Последние комментарии
