Прионы – это неправильно свернутые белки. Сложная трехмерная структура белка-предшественника приона изменяется, что каким-то образом приводит к его неправильной работе. Хуже того, неправильное превращение этих белков-предшественников в прионы заставляет их агрегировать в амилоидные бляшки, что может привести к болезненному состоянию. Прионы несут ответственность за вызванные белками инфекционные нейродегенеративные заболевания, такие как коровье бешенство и скрейпи у домашнего скота.
Совсем недавно белок α-синуклеин (α-син) был признан предшественником приона. В нормальном состоянии белок находится на пресинаптических окончаниях нейронов, из которых химические сигналы, называемые нейротрансмиттерами, передаются от одного нейрона к другому или от нейрона к органу или другому типу ткани. В частности, альфа-син участвует в транспорте дофамина в нервной системе. Но, действуя как прион, α-син-фибриллы собираются в нейронах в нерегулярные структуры с гидрофобными ядрами, называемыми тельцами Леви. Последний был вовлечен в нейродегенеративное расстройство моторной системы болезни Паркинсона (БП), включая аутосомно-доминантную форму БП, которая связана с известными генетическими мутациями A30P, A53T и E46K. Несмотря на то, что БП считается прионоподобным заболеванием, ни одно исследование еще не предоставило четкой картины того, как патогенные фибриллы образуются и распространяются в головном мозге пациентов с БП.
Команда под руководством Джерсона Лимы Силвы из Федерального университета Рио-де-Жанейро, Бразилия, изучала структуру патогенных бляшек α-син-фибрилл и их действие в атомном масштабе. В исследовании, опубликованном 30 ноября в журнале Scientific Reports, группа показывает, как давление разделяет α-син фибриллы, подобные тем, которые обнаружены в тельцах Леви, на мономеры. Остальные фибриллы несут особенности, отличные от тех, что обнаружены в нормальном α-синуклеине.
Группа Сильвы использовала процесс высокого гидростатического давления (HHP), который также используется для консервирования и стерилизации пищевых продуктов с использованием водяных насосов высокого давления. Этот метод оказался полезным лабораторным инструментом, потому что он может развернуть белок из его обычной складчатой структуры, чтобы позволить ему вернуться в исходную форму. Техника раскрывает все этапы процесса сворачивания и разворачивания белка, как если бы они были инструкциями по созданию фигурки оригами. Команда Сильвы объединила HHP со спектроскопией ядерного магнитного резонанса (ЯМР), чтобы впервые получить картину того, что происходит в атомном масштабе.
ЯМР показал, что метод HHP заставляет воду проникать в гидрофобное ядро нормальных фибрилл α-синуклеина, заставляя его разделяться на динамически модифицированные мономеры, которые являются скрытыми состояниями, ранее не обнаруженными. Процесс генерации мономеров оставляет след из слегка модифицированных фибрилл, которые затем способны вызывать агрегацию α-syn, биологический феномен, наблюдаемый при прионных заболеваниях, при которых аномальная форма белка заставляет их нормальный аналог преобразоваться в аномальную форму. Интересно, что никаких олигомеров, которые обычно ассоциируются с токсичными видами при многих прионных заболеваниях, обнаружено не было. Это настоящий прорыв, потому что, хотя БП считается прионоподобным заболеванием, это первое свидетельство, демонстрирующее механизм нейротоксического посева, наблюдаемый при БП.
Реплицируя структурную форму белка, обнаруженного в болезненном состоянии, а затем возвращая белок обратно в его должным образом функционирующую конфигурацию, команда Сильвы надеется помочь в разработке новых стратегий лечения болезни Паркинсона. В частности, команда считает, что исследование может обеспечить путь вперед, чтобы заблокировать образование новой агрегации α-синуклеина и, возможно, предотвратить ее даже от начала. Кроме того, работа может быть использована для сигнализации о начале маркеров болезни Паркинсона и, таким образом, может быть использована для ранней диагностики. "HHP – это потенциальный инструмент для разработки нового поколения целевых видов и исследований по скринингу лекарственных препаратов," говорит Сильва. Действительно, это исследование впервые раскрывает молекулярные детали того, как гидрофобное взаимодействие и образование полостей без воды могут способствовать сборке и стабилизации фибрилл при БП, понимание, которое имеет решающее значение для разработки новых стратегий блокирования токсичных видов. и нейтрализует распространение фибрилл в головном мозге пациентов, страдающих болезнью Паркинсона.