«Наша работа поддерживает общую тему, согласно которой потеря стабильности белка приводит к заболеванию», — сказал Джон А. Тайнер, профессор структурной биологии в TSRI и старший научный сотрудник Berkeley Lab, который вместе с профессором TSRI Элизабет Гетцофф является старшим автором нового исследования.Гетцофф, Тайнер и их коллеги, которые сосредоточили свое внимание на эффектах мутаций гена, кодирующего белок, называемый супероксиддисмутазой (SOD), на этой неделе сообщают о своих выводах в онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences. Исследование предоставляет доказательства того, что белки, связанные с более тяжелыми формами заболевания, менее стабильны структурно и более склонны к образованию кластеров или агрегатов.«Здесь предполагается, что стратегии стабилизации белков SOD могут быть полезны при лечении или профилактике БАС, связанного с SOD», — сказал Гетцофф.
Поразительный в расцвете силБАС печально известен своей способностью поражать людей в расцвете сил. Впервые он появился в общественном сознании, когда поразил звезду бейсбола Лу Герига, который скончался от болезни в 1941 году в возрасте всего 38 лет. Недавно организация Ice Bucket Challenge, организованная Ассоциацией ALS, повысила осведомленность общественности об этой болезни.
БАС убивает, разрушая нейроны, контролирующие мышцы, включая те, которые контролируют дыхание. Согласно новым данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, в любой момент времени около 10 000 американцев живут с этим заболеванием, но оно почти всегда приводит к летальному исходу в течение нескольких лет после появления симптомов.Мутации SOD1, наиболее изученные факторы БАС, обнаруживаются примерно в четверти наследственных случаев БАС и в семи процентах обычных «спорадических» случаев БАС.
АЛС, связанный с SOD, имеет около 200 вариантов, каждый из которых связан с отдельной мутацией SOD1. Ученые до сих пор не пришли к единому мнению о том, как все десятки различных мутаций SOD1 приводят к одному и тому же заболеванию.
Одной из общих черт SOD1-связанных форм БАС является появление кластеров или агрегатов SOD в пораженных двигательных нейронах и их поддерживающих клетках. Агрегаты SOD с другими белками также обнаруживаются в пораженных клетках, даже в случаях ALS, которые не связаны с мутациями SOD1.В 2003 году, основываясь на своих и других исследованиях мутантных белков SOD, Тайнер, Гетцофф и их коллеги предложили гипотезу «дестабилизации каркаса». С этой точки зрения все мутантные гены SOD1, связанные с БАС, кодируют структурно нестабильные формы белка SOD.
Неизбежно некоторые из этих нестабильных белков SOD теряют нормальное сворачивание, достаточное для того, чтобы обнажить липкие элементы, которые обычно скрыты, и они начинают агрегировать друг с другом быстрее, чем могут справиться системы очистки нейронов, и это накопление агрегации SOD каким-то образом вызывает болезнь.Более быстрое образование комков, ухудшение состояния
В новом исследовании лаборатории Тайнера и Гетцофф и их сотрудники использовали передовые биофизические методы, чтобы исследовать, как различные мутации гена SOD1 в конкретной генетической «горячей точке» БАС влияют на стабильность белка SOD.
Для начала они изучили, как динамика агрегации наиболее изученной мутантной формы SOD, известной как SOD G93A, отличается от динамики агрегации немутантной SOD «дикого типа». Для этого они разработали метод постепенного стимулирования агрегации SOD, который был измерен с помощью инновационной системы структурной визуализации под названием SAXS (малоугловое рассеяние рентгеновских лучей) на канале связи SIBYLS лаборатории Беркли.«Мы смогли обнаружить различия между двумя белками еще до того, как ускорили процесс агрегации», — сказал Дэвид С. Шин, научный сотрудник лабораторий Тайнера в Berkeley Lab и TSRI, который продолжает структурную работу над SOD в Беркли.
G93A SOD агрегировался быстрее, чем SOD дикого типа, но медленнее, чем мутант SOD, называемый A4V, который связан с более быстро прогрессирующей формой ALS.Последующие эксперименты с G93A и пятью другими мутантами G93 (в которых аминокислота глицин в положении 93 белка заменена другой аминокислотой) показали, что мутанты образовывали длинные палочковидные агрегаты по сравнению с компактной складчатой структурой диких животных. -типа СОД. Мутантные белки SOD, которые быстрее образуют более длинные агрегаты, снова соответствуют более быстро прогрессирующим формам ALS.Что могло объяснить снижение стабильности этих мутантов SOD?
Дальнейшие тесты были сосредоточены на роли иона меди, который обычно включается в структуру SOD и помогает стабилизировать белок. Используя два других метода, спектроскопию электронно-спинового резонанса (ЭПР) и масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС), исследователи обнаружили, что мутантные SOD с G93 кажутся нормальными по своей способности поглощать ионы меди, но имеют пониженную способность. удерживать медь в условиях умеренного стресса — и эта способность была ниже для мутантов SOD, связанных с более тяжелым БАС.
«Были признаки того, что мутантные SOD более гибкие, чем SOD дикого типа, и мы думаем, что это объясняет их относительную неспособность удерживать ионы меди», — сказал Эшли Дж. Пратт, первый автор исследования, который учился в Лаборатория Гетцова и научный сотрудник Тайнера в лаборатории Беркли.К новым методам леченияКороче говоря, мутантные G93 SOD, по-видимому, имеют более рыхлые, более гибкие структуры, которые с большей вероятностью отбрасывают свои ионы меди — и, следовательно, с большей вероятностью будут неправильно складываться и слипаться в агрегаты.
Вместе с другими исследователями в этой области Гетцофф и Тайнер подозревают, что девиантные взаимодействия мутантной SOD вызывают воспаление и нарушают обычные системы транспортировки и утилизации белков, вызывая стресс и в конечном итоге убивая пораженные нейроны.«Поскольку мутантные SOD легче теряют форму, — сказал Гетцофф, — они не удерживают и не высвобождают своих белковых партнеров должным образом. Определяя эти дефектные партнерства, мы можем предоставить новые цели для разработки лекарств для лечения БАС».
Исследователи также планируют подтвердить взаимосвязь между структурной стабильностью и тяжестью БАС у других мутантов SOD.«Если наша гипотеза верна, — сказал Шин, — будущие методы лечения БАС, связанного с SOD, не нужно адаптировать к каждой отдельной мутации — они должны быть применимы ко всем».