Черви приходят на помощь: разделение хорошего, плохого и комковатого хантингтина

Болезнь Хантингтона (БГ) — это смертельное заболевание головного мозга, вызванное дефектом гена хантингтина (HTT), который производит очень длинный белок. Этот дефект приводит к тому, что белок HTT образует вредные сгустки или «агрегаты» внутри клеток, что является общим процессом для других нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Когда белки слипаются, они образуют разные формы и структуры, некоторые из которых более вредны, чем другие.

Важно выяснить, какой конкретно тип белкового сгустка является наиболее вредным для клеток, потому что разные формы могут вызывать повреждения разными способами, и это может помочь в разработке методов лечения БГ. В новой работе, опубликованной в журнале химических исследований, группа исследователей проверила, насколько вредны различные формы сгустков белка HTT. Они также манипулировали свойствами этих белковых сгустков, чтобы попытаться уменьшить их вредное воздействие. Итак, что они обнаружили и что это значит для БГ?

Белки как строительные кирпичи

Аналогия для объяснения различных типов белковых сгустков — это думать о кирпичах, используемых в строительстве. Нормальные белки подобны правильно обрезанным и сложенным строительным кирпичам. Подобно сломанным кирпичам, поврежденные или мутировавшие белки могут накапливаться по-разному с течением времени:

Олигомеры (первые формирующиеся кластеры): небольшие, неорганизованные кучи из нескольких деформированных или сломанных кирпичей, достаточно маленькие, чтобы их можно было легко перемещать.

Аморфные агрегаты (беспорядочные сгустки): беспорядочная куча всевозможных различных поврежденных кирпичей, сваленных в углу, у которых отсутствует определенная структура и которые трудно перемещать.

Амилоидные фибриллы (упорядоченные волокна): стопка кирпичей, собранная в части стены, которая не имеет функции, но ее нельзя легко переместить или разобрать.

В наших клетках есть системы контроля, которые работают как бригада по уборке строительной площадки, которая пытается сортировать, перестраивать или удалять поврежденные кирпичи, прежде чем они накопятся в проблемные кучи. Однако при таких заболеваниях, как БГ, эта система контроля может быть перегружена. Со временем становится слишком много расширенного HTT, чтобы они могли справиться. Другими словами, слишком много поврежденных кирпичей.

Разделение путем вращения

Исследователи хотели ответить на ключевой вопрос: какой тип сгустка HTT причиняет наибольший вред? Чтобы это выяснить, им сначала понадобился способ разделить различные типы сгустков друг от друга.

Они использовали лабораторный спиннер (называемый центрифугой), который работает как цикл отжима стиральной машины — он разделяет материалы по весу. Подобно тому, как стиральная машина выбрасывает воду из одежды, вращение с разной скоростью разделяло сгустки HTT по размеру. Медленное вращение отделяло большие сгустки, а более быстрое вращение отделяло меньшие сгустки от более крупных.

После разделения различных типов сгустков HTT исследователи скормили их крошечным лабораторным червям, называемым C. elegans (произносится как «си-ЭЛ-э-ганз»), чтобы проверить, какие сгустки являются наиболее вредными. Может показаться странным использовать червей для исследования БГ! Но эти черви — рабочие лошадки научных открытий. На протяжении десятилетий лаборатории по всему миру использовали их для совершения прорывных открытий о старении, долголетии и о том, как клетки развиваются на протяжении всей жизни.

C. elegans примерно такие же длинные, как тире (-), почти прозрачные, и их почти невозможно увидеть без микроскопа. В лабораториях они живут в специализированной жидкости или геле, известном как «среда», содержащейся в контролируемой среде, в которой есть все необходимое для их выживания.

Черви съели различные формы сгустков HTT, и исследователи измерили выживаемость и подвижность червей в течение следующих 2 дней. Результаты показывают, что небольшие сгустки (олигомеры) являются наиболее вредными, снижая выживаемость и подвижность червей, в то время как более крупные фибриллы не причиняли никакого вреда. Возвращаясь к нашей кирпичной аналогии, похоже, что именно эти небольшие, подвижные кучи сломанных кирпичей вызывают больше всего проблем, а не большие жесткие стопки!

Структура влияет на токсичность

Теперь, когда они знали, что токсичными являются небольшие сгустки, исследователи захотели понять, почему. Они проверили, может ли изменение структуры этих сгустков сделать их менее вредными.

Сначала они химически «скрепили» сгустки вместе, чтобы они не могли так легко перемещаться. Черви выживали дольше. Это говорит о том, что гибкость этих небольших сгустков, их способность смещаться и изменять форму, по крайней мере, частично является тем, что делает их опасными.

Они также протестировали два экспериментальных соединения (EGCG и рилузол), которые, как известно, влияют на то, как белки слипаются вместе. В зависимости от того, когда были добавлены соединения, они по-разному изменяли выживаемость червей. Это говорит нам о том, что время вмешательства в образование сгустков имеет значение, и что различные вмешательства создают сгустки с разным уровнем токсичности. Важно отметить, что эти соединения являются исследовательскими инструментами, а не потенциальными методами лечения, но они помогают ученым понять, что происходит с белком HTT.

Применение результатов в будущих исследованиях

Это исследование вносит два важных вклада. Во-первых, оно дает ученым простой, воспроизводимый метод разделения и тестирования различных типов сгустков HTT, который другие лаборатории теперь могут использовать в своей работе. Во-вторых, оно показывает, что структура и гибкость белковых сгустков определяют, насколько они токсичны. Это потенциально мощное открытие! Если мы сможем стабилизировать или сделать эти сгустки более жесткими, мы сможем уменьшить вред, который они причиняют.

Идея о том, что «блокировка» токсичных белков может защитить клетки, является интригующим новым углом для терапии БГ и, возможно, для других заболеваний, связанных со слипанием белков, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Конечно, эти эксперименты были проведены на простых червях, поэтому предстоит долгий путь, прежде чем мы узнаем, сможет ли этот подход работать на людях.

Следующие шаги включают отслеживание того, что происходит с этими токсичными сгустками после того, как черви их проглотят. Продолжают ли они слипаться внутри клеток? Какие органы поражены? Исследователям также необходимо лучше понять, какие именно формы небольших сгустков являются наиболее опасными, и проверить, работает ли этот подход на более сложных животных, таких как мыши. Если эти исследования будут успешными, это может в конечном итоге помочь разработать лекарства, предназначенные для снижения токсичности сгустков HTT.

Резюме

• Болезнь Хантингтона (БГ) вызвана дефектом гена HTT, который заставляет белок слипаться внутри клеток мозга. Подобное слипание происходит и при других заболеваниях мозга, таких как болезнь Альцгеймера. Эти сгустки образуются по-разному, некоторые из них маленькие и гибкие (олигомеры), а другие — большие и жесткие (фибриллы).
• Исследователи разработали простой метод с использованием вращения для разделения различных типов сгустков HTT, чтобы они могли протестировать каждый тип по отдельности.
• Они скормили разделенные сгустки крошечным лабораторным червям и измерили, как поживают черви. Небольшие, гибкие сгустки были очень токсичны для червей, в то время как большие, жесткие сгустки не причиняли никакого вреда.
• Когда исследователи химически «скрепили» небольшие сгустки вместе, чтобы сделать их менее гибкими, черви выживали дольше. Это говорит о том, что гибкость является ключом к тому, почему эти сгустки опасны.
• Эта работа дает ученым новый инструмент для изучения сгустков HTT и предлагает потенциальную новую стратегию лечения. Если мы сможем зафиксировать токсичные белковые сгустки в менее гибких формах, мы сможем уменьшить ущерб, который они причиняют при БГ и других заболеваниях, связанных со слипанием белков.