Формирование наноамилоидных олигомеров и фибриллярных структур

Декабрь 6, 2015 / Комментарии 0

Как индивидуальность мономерные наноамилоиды существуют недолго. Стремясь скрыть гидрофобные участки, они взаимодействуют между собой, образуя более крупные олигомерные наночастицы с округлой замкнутой структурой (см. рис. 2а), внутри которой скрыты гидрофобные участки, и линейной предфибриллярной, а затем фибриллярной архитектурой (см. рис. 2б). При взаимодействии диполей воды с фиксированными зарядами аминокислотных остатков олигомера нано-Аβ прочность водородных связей между молекулами возрастает, и формируется упорядоченная водная структура вокруг олигомера нано-Аβ. Сильные гидрофобные взаимодействия в олигомере и плотная гидратная оболочка выполняют барьерную и защитную функцию между олигомером нано-Аβ и средой.

Округлые олигомеры нано-Аβ (см. рис. 2а) хорошо растворимы в водных растворах, поэтому попадают в кровяное русло и при определенных условиях обнаруживаются в крови человека. Предфибриллярные, линейные структуры олигомеров нано-Аβ (см. рис. 2) самостоятельно без внешнего воздействия склонны к гомоагрегации in vitro и отложению в виде биохимически неактивных внутриклеточных включений и волокон, либо внеклеточных фибрилл амилоидных и синильных бляшек, которые (по нашему мнению), в соответствии с нашей гипотезой, выполняют важные функции для поддержания работы органов и жизненно необходимых процессов организма в период интенсивной гибели нейронов.

Результаты многих исследований указывают на то, что образование амилоидной фибриллы является фундаментальным свойством белковых молекул дифференцированных клеток в целом, а не только узкого класса так называемых амилоидогенных белков, связанных с амилоидными болезнями, как считалось вплоть до недавнего времени. При этом нормальные белки при образовании фибрилл становятся токсичными наноамилоидами. В то же время известно, что незрелые водорастворимые фибриллы более цитотоксичны, чем зрелые нерастворимые амилоидные фибриллы. Структура этих токсичных незрелых фибрилл богата β-тяжами и должна быть универсальной, так как специфические антитела к предшественникам амилоидного пептида Аβ, связанного с болезнью Альцгеймера, могут связываться также с предшественниками амилоидных фибрилл, образующихся и из других белков, имеющих совсем иную аминокислотную последовательность. Механизм токсичности этих предшественников, кажется, тоже должен быть сходным для фибрилл, образуемых различными наноамилоидами.

Тот факт, что белок может свернуться неправильно или образовать частично развернутое состояние наноамилоида, которое в дальнейшем подвергается необратимой агрегации, указывает на проблемы, которые могут возникнуть в ходе сворачивания белка. Неспособность белковой цепи свернуться в нативную структуру приводит к нарушению функции белка, а следовательно к болезни. Среди конформационных болезней амилоидные болезни составляют особую группу. Общей чертой этих болезней является образование амилоидных фибрилл из нано-Аβ, в которых отдельные β-слои ориентированы перпендикулярно главной оси фибриллы. Образование фибрилл — яркий пример изменения конформации белковых молекул, связанного с увеличением доли β-структуры у наноамилоидов. Образование фибрилл в общем случае зависит не от структуры белка-предшественника, а в значительной степени от его аминокислотной последовательности.

Понимание молекулярных механизмов образования фибрилл позволило бы объяснить причину возникновения этих болезней. Для некоторых белков были экспериментально определены участки, которые могут отвечать за образование амилоидных фибрилл. Показано, что образование фибрилл зависит от условий проведения эксперимента и что денатурирующие факторы способствуют образованию фибрилл: чтобы агрегировать, белки должны быть развернуты или частично развернуты.

Агрегация пептидов и белков, связанных с амилоидозами такого типа, как диабет типа II, болезни Альцгеймера и Паркинсона, не требует предварительного полного разворачивания белков, так как эти белки в основном состоят из небольшого числа аминокислотных остатков и при физиологических условиях уже не структурированы. Однако большинство нативно развернутых белков in vivo не агрегирует. Данный факт указывает на то, что разворачивание белка является необходимым, но недостаточным условием для образования нано-Аβ и амилоидных фибрилл. Скорее всего, должны существовать специальные мотивы аминокислотной последовательности, которые, будучи доступны для растворителя, более подвержены агрегации, чем другие участки аминокислотной последовательности. Экспериментальные факты только подтверждают гипотезу о том, что небольшие области белка ответственны за образование фибриллярных наноамилоидов.

Так, встроенная в N-конец белковой молекулы амилоидогенная последовательность из шести аминокислотных остатков (STVIIE) вызывает процесс образования фибриллы у водорастворимого белка α-спектрина, SН3-домен, который не образует наноамилоидные фибриллы при этих же условиях. При этом в ядро нанофибриллы, недоступное протеазам, входят короткие последовательности из растворимого глобулярного белка, примыкающие к амилоидогенному участку. Таким образом, короткие амилоидогенные участки, доступные для внутримолекулярных взаимодействий, ускоряют реакцию самосборки, втягивая оставшуюся часть белка в фибриллярный агрегат.

Похожий результат был получен ранее для β2 — микроглобулина мыши, который не образует амилоидов. В этом белке семь аминокислотных остатков были заменены на семь аминокислотных остатков из β2-микроглобулина человека (образующего амилоиды) в том месте, где наблюдается наибольшее различие между первичными структурами этих белков, остатки 83-89. Такая замена в белке приводит к образованию наноамилоидов in vitro. Следует отметить, что сам пептид (NHVTLSQ) образует наноамилоиды, а пептид, составленный из тех же аминокислот, но в случайном порядке (QVLHTSN), — нет. На основании полученных экспериментальных данных в работе предложена модель β-зигзагообразного стержня, который декорирован оставшейся частью белковой молекулы.

Идентификация таких амилоидогенных участков в белках открывает возможность использования их как мишени для предотвращения процесса образования нано-Аβ и амилоидных фибрилл.

Подпишитесь на свежую email рассылку сайта!

Читайте также