Складывание рубашки с 12-футовыми рукавами: понимание сворачивания белков при болезни Хантингтона

Представьте себе оживленную швейную фабрику. Белки подобны только что сшитым рубашкам, сходящим с машин. Они мягкие, мятые и могут создать гигантский беспорядок, если их оставить несложенными. Обычно на клеточной швейной фабрике работают «белки-шапероны», которые действуют как опытные гладильщики. Они берут каждую рубашку, применяют энергию от горячего утюга и аккуратно складывают ее в правильную форму, чтобы все оставалось аккуратным и опрятным.

Но болезнь Хантингтона (БГ) создает одежду ненормальной формы, которая может сбить с толку шаперонов. Когда это происходит, белки, как и неровные рубашки, имеют тенденцию неправильно сворачиваться, запутываться и создавать огромный беспорядок. В новой работе, опубликованной в Nature Communications, группа исследователей углубилась в то, как они могут улучшить процесс сворачивания белков при БГ, создав дополнительные шапероны. Итак, что они обнаружили и что это значит для БГ?

Складывание рубашки с 12-футовыми рукавами

БГ вызвана расширенным участком генетических букв в гене хантингтина, который производит очень длинный белок, называемый расширенным хантингтином. Этот очень длинный белок создает вредные комки, которые образуются внутри клеток. Если клетка — это оживленная швейная фабрика, то расширенный хантингтин — это как рубашка с 12-футовыми рукавами — ее трудно правильно сложить и хранить, что приводит к большому беспорядку.

Обычно существуют белки-помощники, называемые «шаперонами», которые работают по всей клетке, чтобы убедиться, что другие белки сворачиваются правильно, и предотвращают их слипание. Однако при таких заболеваниях, как БГ, эта система шаперонов может быть перегружена. Просто слишком много расширенного хантингтина, чтобы они могли справиться.

PEX19: машина для самостоятельного складывания

Шаперонам требуется постоянный запас энергии в форме молекулы под названием АТФ и команда других белков-помощников, чтобы правильно выполнять свою работу. Поскольку они зависят от этой системы поддержки, шапероны сложно превратить в лекарства — они требуют слишком много энергии и командной работы. Это все равно, что пытаться использовать целую фабрику вместо одной машины для выполнения работы. В этом исследовании основное внимание уделяется определенному типу шаперона, называемому PEX19, который уникален тем, что работает без необходимости в энергии (АТФ) или каком-либо белке-помощнике.

PEX19 обычно помогает определенным белкам попасть в часть клетки, называемую пероксисомой. Пероксисомы — это небольшие фабрики по переработке и детоксикации внутри ваших клеток, которые работают над расщеплением отходов и вредных веществ, таких как жиры и яды, чтобы поддерживать здоровье клетки, превращая их в безвредную воду и кислород. Поскольку PEX19 работает сам по себе и не требует АТФ, его потенциально можно использовать для устранения образования белковых комков без необходимости разработки лечения, которое включает в себя белки-партнеры.

Удаление комков в нескольких моделях БГ

Основной целью этого исследования был поиск способа предотвратить слипание расширенного мутантного белка хантингтина, который способствует возникновению симптомов БГ. Исследователи предположили, что, учитывая его уникальные характеристики, они могут модифицировать PEX19 на молекулярном уровне, чтобы нацеливаться на вредные комки хантингтина и удалять их. С этой целью они произвели различные модифицированные версии шаперона PEX19 и проверили, какая версия предотвращает образование белковых комков в различных организмах, моделирующих БГ.

Во-первых, они сконструировали крошечные дрожжевые клетки, которые производят белок хантингтин. Если их не лечить, образуются белковые комки, которые вызывают заболевание дрожжей. Исследователи добавили в дрожжевые клетки две специально разработанные версии PEX19 и наблюдали, что это лечение остановило образование комков хантингтина, из-за которых дрожжи заболели.

Затем они добавили эти две версии PEX19 в клетки человека с БГ, выращенные в лабораторной чашке, и наблюдали, что комки белка хантингтина образуются гораздо медленнее. Наконец, они обработали плодовых мушек с БГ своей наиболее эффективной версией PEX19 и наблюдали, что эти больные мухи жили дольше и могли лучше лазать, навык, который ухудшается у мух с геном БГ. Они считают, что это произошло потому, что липкие комки в их мозгу уменьшились.

Остановить беспорядок до того, как он начнется

Эти интересные наблюдения показывают, что энергонезависимый шаперон PEX19 может быть сконструирован для нацеливания и предотвращения образования белковых комков хантингтина в дрожжах, клетках человека и мозге плодовой мушки. Это говорит о том, что две специальные версии PEX19 могут иметь терапевтический потенциал против БГ у людей.

В дополнение к этим выводам, исследователи определили конкретный механизм, с помощью которого эти две версии PEX19 ингибируют белковые комки, что является важным пониманием для разработки лекарств, имитирующих действия PEX19. Команда наблюдала, что искусственные вариации PEX19 могут предотвратить первоначальное образование белковых комков, но они не могут разрушить комки, которые уже образовались, потому что для этого требуется значительная энергия.

Это разница между аккуратным складыванием каждой неуклюжей рубашки с мягкими рукавами сразу после ее пошива и борьбой с огромной, грязной горой из них. Хотя это является ограничением сконструированного PEX19, тот факт, что шаперон является энергонезависимым и не требует большого количества белков-помощников, по-прежнему делает его привлекательным кандидатом для терапевтической разработки.

Настройка складок для лучшей посадки

Это исследование вносит значительный вклад, представляя новую стратегию разработки методов лечения болезни Хантингтона и, возможно, других расстройств агрегации белков. Оно демонстрирует возможность конструирования АТФ-независимого шаперона для нацеливания и уменьшения слипания белка, вызывающего заболевание. Этот подход предлагает альтернативу традиционным шаперонам, которые полагаются на сложный клеточный механизм и энергию, что может ограничить их эффективность в больных клетках.

Будущая работа должна быть сосредоточена на дальнейшей оптимизации сконструированных вариантов PEX19 для повышения их специфичности и эффективности путем точной настройки архитектуры PEX19 для лучшего связывания с белком хантингтина. Кроме того, тестирование этих вариантов на более сложных моделях млекопитающих и, в конечном итоге, в клинических испытаниях будет иметь решающее значение для их разработки в качестве терапевтического средства для болезни Хантингтона.

Резюме

• Слипание расширенного белка хантингтина внутри клеток способствует развитию болезни Хантингтона (БГ).
• Традиционные белковые шапероны, которые могли бы предотвратить образование белковых комков, требуют значительной энергии (АТФ) и белков-помощников, что делает их непригодными в качестве простых методов лечения.
• В этом исследовании были проанализированы многие различные версии PEX19, уникального шаперона, который функционирует независимо и не использует АТФ, на предмет их способности ингибировать образование белковых комков хантингтина в клетках человека и животных.
• Исследовательская группа выявила две сконструированные версии PEX19, способные предотвращать образование белковых комков хантингтина в дрожжах, клетках человека и плодовых мушках.
• Сконструированные варианты PEX19 могут предотвратить образование новых комков, но не могут разрушить существующие.
• Результаты предлагают упрощенный подход к потенциальным методам лечения БГ и могут вдохновить будущие исследования по оптимизации этих вариантов и их тестированию на моделях млекопитающих и в клинических испытаниях.

Узнать больше Оригинальная исследовательская статья: «Разработка белкового шаперона мембраны для улучшения протеотоксичности мутантного хантингтина» (открытый доступ).