Первые субнаномасштабные снимки белка болезни Хантингтона

Ученые Национальной лаборатории Оук Ридж (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) Министерства энергетики США и Университета Теннеси (University of Tennessee, UT) описали самые ранние стадии структурного формирования патологического типа белка, вызывающего болезнь Хантингтона. Это неизлечимое наследственное нейродегенеративное заболевание диагностируется у каждого десятитысячного американца и всегда имеет смертельный исход.

Причиной болезни Хантингтона является белок хантингтин, разрушающий нейроны в областях мозга, связанных с эмоциями, интеллектом и движениями. У каждого человека есть нормальный хантингтин, который, как известно, важен для существования организма, хотя его точные биологические функции остаются неясными.

Чтобы исследовать самые ранние формы скоплений хантингтина, которые считаются наиболее токсичными, Кристофер Стэнли (Christopher Stanley) из ORNL и Валери Бертельер (Valerie Berthelier) из Высшей школы медицины UT, изучающий фолдинг и мисфолдинг белков при болезни Хантингтона, использовали аппарат с малым углом нейтронного рассеяния, называемый Bio-SANS (Biological Small-Angle Neutron Scattering).

В исследовании, опубликованном в журнале Biophysical Journal, Стэнли и Бертельеру удалось определить размер и массу структур мутантного белка хантингтина – от самых ранних мельчайших сферических предшественников, состоящих из двух (димеры) и трех (тримеры) пептидов - и путь их агрегации в фибриллы, образующиеся на более поздней стадии заболевания. Кроме того, они «заглянули» внутрь таких фибрилл и определили их структуру, что значительно углубляет понимание процесса агрегации пептидов.

«Bio-SANS – прекрасный инструмент для получения снимков с временным разрешением. Можно посмотреть, как вещество изменяется во времени и захватить структуру на самой ранней стадии ее образования», - говорит Кристофер Стэнли. «Изучая несколько таких типов систем с различным количеством глютаминов или в разных условиях, начинаешь узнавать больше и больше о природе этих скоплений и о том, как начинается их формирование».

Нормальный хантингтин содержит область из 10-20 остатков аминокислоты глютамина, расположенных подряд. Однако ДНК пациентов с болезнью Хантингтона кодирует 37 и более остатков глютамина, вызывая нестабильность фрагментов хантингтина, содержащих эти аномально длинные глютаминовые повторы. Вследствие этого фрагменты мутантного белка не могут нормально деградировать и образуют депозиты фибрилл в нейронах.

Эти депозиты, или скопления, первоначально рассматривались в качестве причины разрушения клеток мозга. Однако в последнее время взгляды ученых претерпели существенные изменения: они стали склоняться к мнению, что агрегация белка хантингтина может быть своего рода биологической «уборкой», попыткой клеток мозга устранить эти токсичные белки из тех их областей, где они в наибольшей степени проявляют свою разрушительную природу. Стэнли и Бертельер решили изучить, что представляют собой эти токсичные белки и когда и где они образуются, с помощью нейтронного рассеяния.

В Bio-SANS нейтронный пучок проходит через серию зеркал, фокусирующих его на образце. Нейтроны взаимодействуют с образцом, предоставляя данные об его атомной структуре, а затем рассеиваются и определяются детектором. На основе данных о структуре рассеивания ученые могут вывести размер и форму агрегирующего белка в масштабе менее чем миллиардная часть метра в каждый момент процесса его роста.

Bio-SANS оказалось под силу отличить мельчайшие пептидные агрегаты в исследуемом растворе от быстро образующихся и растущих скоплений большего размера, присутствующих одновременно. В отдельных экспериментах ученым удалось пронаблюдать исчезновение отдельных пептидов, а также формирование зрелых фибрилл.

Теперь, когда известна структура, появляется надежда на разработку лекарственных препаратов, способных противостоять токсичным свойствам патологического хантингтина на ранних стадиях заболевания или предотвратить само появление токсичности. «Теперь нужно будет взять молекулы лекарственных препаратов и посмотреть, как они взаимодействуют с этими структурами и какое оказывают на них влияние», - говорит Стэнли.

Ученые считают, что Bio-SANS будет полезен как для дальнейшего изучения белковых скоплений при болезни Хантингтона, так и для исследования процессов агрегации других белков, например, вовлеченных в развитие болезней Альцгеймера и Паркинсона.

Источник: www.lifesciencestoday.ru