Картирование окрестностей: новые белковые партнеры хантингтина

Почему мы до сих пор не вылечили болезнь Хантингтона? Одна из причин заключается в том, что после двадцати лет исследований ученые до сих пор не понимают, что делает огромный белок хантингтин, мутировавший у пациентов с БГ. В новом исследовании группа Уильяма Янга из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе составила карту «окрестностей» хантингтина, чтобы внести ясность в этот вопрос. В процессе они выявили десятки новых направлений для разработки лекарств.

Гены, белки и функции

У каждого пациента с болезнью Хантингтона есть мутация в одном и том же гене, который ученые называют «хантингтин». Этот ген, мутировавший или нет, необходимо превратить в белок, прежде чем он сможет что-либо делать в клетке. В случае мутантного гена хантингтина, белок, который он производит, наносит вред клеткам.

Гены служат чертежами для клеток, инструктируя их, как производить определенные белки. Эти белки являются молекулярными машинами, которые выполняют большую часть работы, обеспечивающей функционирование клеток.

Итак, когда мы спрашиваем: «Что делает этот ген?», мы обычно говорим о функции белка, чертежом которого является этот ген. Ген хантингтина сообщает клеткам, как производить белок, который также называется «хантингтин».

Белок хантингтин несколько загадочен; во-первых, он огромен, почти в 6 раз больше среднего белка в клетке человека. Во-вторых, он встречается у многих животных — даже у тех, кто находится в отдаленном родстве с нами, таких как морские ежи и слизевики, есть ген хантингтина. Когда белки обнаруживаются у многих различных видов, ученые называют их «консервативными».

Что бы ни делал хантингтин, он должен быть важным, чтобы требоваться стольким разнообразным видам. Наконец, этот белок очень отличается от других белков, обычно встречающихся в клетке человека. Большинство белков имеют узнаваемые домены, или короткие области, которые выглядят как другие белки, что помогает нам понять, что они делают. У хантингтина нет ни одной из этих особенностей — он кажется совершенно уникальным.

Несмотря на 20 лет исследований, ситуация сегодня не намного улучшилась с тех пор, как мы открыли ген, вызывающий БГ. Мы знаем, что белок действительно важен — мыши, которые были генетически модифицированы, чтобы не иметь гена хантингтина, умирают до рождения. Резкое снижение уровня хантингтина также кажется очень плохим, многочисленные исследования показали плохие эффекты в клетках или тканях, в которых отсутствует хантингтин, особенно в ткани мозга.

Понимание функции через связи

Белки, как правило, не являются изолированными маленькими машинами, плавающими в наших клетках и занимающимися своими делами. Фактически, внутренняя часть клетки больше похожа на густой липкий гель, чем на водный простор — белки и другие части клеток сжаты вместе в плотной массе, в которой белки должны как-то функционировать.

Белки обычно функционируют в партнерстве с другими белками — иногда десятки или даже сотни отдельных белков работают вместе для выполнения определенной задачи. Хорошим примером является «синапс» — место соединения между двумя клетками мозга. Синапсы зависят от сотен белков, собранных вместе точным образом, чтобы позволить одному нейрону разговаривать с другим.

Поскольку белок хантингтин настолько уникален и в то же время так важен, ученые пришли к выводу, что они могли бы лучше понять, что он делает, поняв, с кем он взаимодействует. С какими другими белками связывается хантингтин, когда он выполняет свою работу в клетке? Например, если бы мы обнаружили, что все белки, с которыми связывается хантингтин, работают в синапсе, это ограничило бы наш поиск того, что идет не так в клетках с БГ, этой конкретной частью клетки.

Предыдущие исследования такого рода затруднялись тем, что белок хантингтин просто огромен. Лучшие усилия ученых до сих пор основывались на использовании небольших частей всего гена хантингтина — разрезании его на части и изучении того, с какими белками связываются эти маленькие кусочки.

Это немного похоже на отрезание кусочка от большого сложного фрагмента головоломки и поиск мест, куда подходит этот маленький фрагмент. Некоторые из мест, идентифицированных этим методом, будут правильными, но большое количество будет тем, что ученые называют «ложными срабатываниями» — местами, куда подходит маленький кусочек, но целый неповрежденный белок хантингтин не подойдет.

Новая попытка построения карты

Технология изучения белков со временем становится все более и более чувствительной. Настолько чувствительной, что группа ученых под руководством Уильяма Янга из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) решила попытаться построить новую карту клеточных соседей белка хантингтина.

Их подход был немного дерзким. Вместо того чтобы разрезать ген хантингтина на крошечные кусочки и вставлять его в дрожжевые клетки, они решили обратиться к источнику. Они выделили белок хантингтин из мозга мышей — фактически из трех разных областей мозга — и в нескольких разных возрастах.

Их ставка сыграла — они смогли идентифицировать 747 белков, которые взаимодействуют с белком хантингтином в мозге мыши. 139 из этих белков ранее были описаны как взаимодействующие с хантингтином. Это хорошо, потому что это означает, что эти результаты основываются на том, что было известно раньше, и с большей вероятностью будут надежными.

Это оставляет 608 новых белков, с которыми белок хантингтин взаимодействует, выполняя свою работу в клетке. Из-за того, как команда изучала белок из разных областей мозга, они также могли идентифицировать взаимодействия, которые происходят только в частях мозга, которые особенно уязвимы при БГ.

Другой интересной категорией взаимодействий являются те, которые происходят в относительно старом мозге, но не в молодом. Поскольку БГ обычно поражает мозг через несколько лет, эти взаимодействия могут дать подсказки о процессах, которые идут не так с течением времени.

Сетевой анализ

Представьте, что кто-то вручает вам список из 608 автомобильных деталей. Довольно трудно понять, что они все делают, не зная обо всех различных системах в автомобиле и о том, как они взаимодействуют. К сожалению, в отличие от автомобиля, ни у кого нет полного чертежа клеток мозга.

Чтобы решить проблему классификации этого длинного списка партнеров белка хантингтина, команда Янга обратилась к команде под руководством другого исследователя из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Стива Хорвата. Команда Хорвата является экспертом в классификации этих типов списков, чтобы попытаться понять, что идет не так в биологических системах.

Фактически, группа Хорвата специализируется на чем-то очень сложном — получив список автомобильных деталей, они работают над тем, чтобы попытаться выяснить чертеж автомобиля.

Две команды выявили ряд систем в клетках мозга, которые, по их мнению, могут пойти не так в мозге с БГ. Они смогли сделать несколько очень конкретных прогнозов о том, с какими белками будет работать хантингтин внутри клетки. Все эти прогнозы, которые впоследствии были проверены, оказались верными, что дает нам уверенность в том, что эта новая карта является точной.

Имеет ли это значение для пациентов с БГ?

Благодаря усилиям этих ученых у нас теперь есть гораздо более точная карта того, с какими белками взаимодействует хантингтин в мозге, какие из этих взаимодействий специфичны для определенных областей мозга и какие происходят только в стареющем мозге.

В HDBuzz мы всегда рады последним терапевтическим достижениям, но фундаментальные исследования, подобные этому, по-прежнему очень важны. Разработка следующего поколения методов лечения основана на гораздо лучшем понимании того, что именно делает белок хантингтин и как это идет не так из-за мутации, вызывающей БГ. Это исследование приближает нас к этому пониманию и добавляет новые мишени в конвейер разработки лекарств.

Подробнее

• Оригинальная статья группы Янга в журнале Neuron (для ознакомления с полной версией статьи требуется оплата или подписка)