Новое исследование ученых из Исследовательского института Скриппса (TSRI), Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и других учреждений предполагает причину бокового амиотрофического склероза (БАС), также известного как болезнь Лу Герига.
"Наша работа поддерживает общую идею, согласно которой потеря стабильности белка приводит к заболеванию," сказал Джон А. Тайнер, профессор структурной биологии в TSRI и старший научный сотрудник Berkeley Lab, который разделил старшее авторство нового исследования с профессором TSRI Элизабет Гецофф.
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.
"Предполагается, что стратегии стабилизации белков SOD могут быть полезны при лечении или профилактике БАС, связанного с SOD," сказал Гецофф.
Поразительный в расцвете сил
БАС известен своей способностью поражать людей в расцвете сил. Впервые он стал известен общественности, 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 случаев обычного БАС "спорадический" Случаи БАС. БАС, 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 десятки различных мутаций SOD1 приводят к одному и тому же заболеванию.
Одной из общих черт, связанных с SOD1-связанными формами 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 "дестабилизация каркаса" гипотеза. 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 поддерживать 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 выяснить, как различные мутации гена SOD1 в конкретном генетическом БАС "горячая точка" влияют на стабильность белка SOD.
Для начала они изучили, как динамика агрегации наиболее изученной мутантной формы SOD, известной как SOD G93A, отличается от таковой немутантной формы, "дикий тип" SOD. Для этого они разработали метод постепенного индуцирования агрегации SOD, который был измерен с помощью инновационной системы структурной визуализации SAXS (малоугловое рассеяние рентгеновских лучей) на канале SIBYLS в Advanced Light Source лаборатории Беркли.
"Мы могли 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 структурные работы над SOD в Беркли.
G93A SOD агрегируется 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 входит 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 был студентом лаборатории Гетцова и докторантом Тайнера в лаборатории Беркли.
К новым методам лечения
Короче говоря, мутантные G93 SOD, по-видимому, имеют более рыхлые и 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.
"Потому что мутантные SOD легче теряют форму," сказал Гецофф, "они не держат и не высвобождают своих белковых партнеров должным образом. Определяя эти дефектные партнерства, мы можем поставить 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 должны быть адаптированы к каждой отдельной мутации – они должны быть применимы ко всем из них."
Эксперименты по ЭПР проводились в лабораториях Брайана Крейна и Джека Х. Фрида в Корнельском университете и эксперименты ICP-MS в лаборатории Майкла В.W. Адамс из Университета Джорджии.