Прионоподобные домены и их роль в обратимой и необратимой агрегации белков

Прионы — это белки, способные принимать амилоидогенную конформацию и способные становиться матрицей для преобразования других белков в прионы. Более того, они способны «сеять» агрегацию не только внутри клетки, но и между клетками — то есть обладают свойством трансмиссивности. Более того, возможен перенос патогенных прионов между особями одного вида и даже между разными видами. Ранее считалось, что для млекопитающих прионы — это патогенные факторы, которые могут привести к смерти от поражения нервной системы, тогда как прионы дрожжей, например, помогают им приспосабливаться к различным условиям окружающей среды. Однако, как было установлено недавно, агрегация некоторых белков по прионному механизму у млекопитающих также важна для ряда их физиологических функций, в том числе — она играет важную роль при образовании СГ и других РНК-гранул, при врожденном клеточном иммунитете (например белок MAVS), при обеспечении долговременной памяти (например белок СРЕВ).

Установление причинно-следственной связи между развитием ряда нейродегенеративных заболеваний и дисфункцией РНК-связывающих белков, имеющих в своей структуре прионоподобные домены, полностью изменило прежнее представление о механизмах возникновения и прогрессии нейродегенеративных процессов и привело к возникновению новой, революционной, концепции молекулярных механизмов, ведущих к развитию этих расстройств. Нарушение конформации ряда белков, ведущее к образованию патологических агрегатов, является общей чертой многих нейродегенеративных заболеваний. С помощью биоинформатических методов в протеоме человека было выявлено около 250 белков, содержащих прионоподобные домены. До 12% из этого пула белков приходится на РНК-связывающие белки, из которых 12 ассоциированы с нейродегенеративными заболеваниями — протеинопатиями.

Существование прионоподобного домена в N-концевой области FUS (1-239) было предсказано с помощью алгоритма, разработанного, который основан на выборе участков белка, сходных по аминокислотному составу с прионными доменами дрожжевых белков, таких как Sup35, Ure2, Rnqlp. Как правило, эти участки содержали большое количество гидрофильных аминокислотных остатков, таких как аспарагин, глютамин и тирозин. В последующих экспериментах выяснилось, что подобные домены наделяют FUS и сходные РНК-связывающие белки способностью переходить из полностью развернутой пространственной структуры в промежуточные по фолдингу состояния, в том числе с образованием динамических кросс-ß-структур и амилоидных фибрилл. Последние, в свою очередь, могут выступать в качестве «матрицы» для сворачивания по типу прионов. Важно отметить, что подвижные кросс-ß-структуры проявляют свойства жидкостей, но могут образовывать и гелеобразные формы, способствуя удержанию как РНК, так и РНК-связывающих белков. Эти два переходных состояния (жидкость-гель) важны для образования различных немембранных РНП-структур, включая транспортные РНК-гранулы, тельца Кахаля (Cajal bodies), родственные им структуры Gems (Gemini of Cajal bodies), СГ и т.д.

При нормальном функционировании клетки именно это переходное состояние необходимо для включения FUS в РНП-комплексы. Следовательно, факторы, которые могут повлиять на сдвиг баланса в сторону агрегированного состояния, могут оказаться решающими для запуска бесконтрольной, каскадной агрегации. Тем не менее, вопрос о возможности непосредственной трансформации СГ в патологические нерастворимые агрегаты остается открытым. Главным аргументом против такого сценария является динамический характер СГ, а также тот факт, что их основная функция — защита клетки во период стресса. Ряд способных к агрегации белков с прионоподобными доменами, например TIA-1, собираются в СГ без последующей необратимой агрегации и быстро диссоциируют по окончании действия стресса. Следует также отметить, что СГ, содержащие FUS, крайне нестабильны в культуре клеток, например, они быстро распадаются в присутствии ингибиторов трансляции. Было также замечено, что при наличии мутаций в FUS, приводящих к нарушению связывания РНК, стремительно агрегируют in vivo. Это дает возможность предположить, что секвестрация в СГ может защищать белки от патологической агрегации. Присутствие в патологических белковых включениях при FUS-протеинопатиях ряда белков, характерных для СГ, также не противоречит подобному сценарию, так как при агрегации FUS в цитоплазме СГ также могут пассивно вовлекаться в этот процесс. В любом случае причины необратимой агрегации FUS в цитоплазме остаются до конца неясными, и поиск механизмов продолжается.

Наряду с прионоподобными доменами, богатыми аспарагином, глутамином и тирозином, многие РНК-связывающие белки, в том числе и FUS, содержат участки с большим количеством глицина. Эти участки, предположительно, способствуют образованию РНП-комплексов и участвуют в сплайсинге пре-мРНК, а также влияют на посттрансляционные модификации белков. Учитывая, что большое количество глицина способствует поддержанию белка в развернутом виде, то соседние аминокислотные остатки определяют ту или иную его функцию. Так, например, в структуре FUS присутствуют домены, богатые глицином и аргинином (RGG), отвечающие за белок-белковые и белок-РНК взаимодействия. Эти процессы регулируются метелированием аргинина. Также в составе FUS был выявлен участок, богатый глицином и серином, функция которого еще не установлена, однако предполагается, что фосфорилирование сериновых остатков в этом участке влияет на взаимодействие прионоподобных доменов между собой.

Таким образом, при взаимодействии между различными макромолекулами может достигаться переход в жидкое промежуточное состояние, которое способствует росту микрокапли с образованием гелеобразной макроструктуры, и этот процесс может регулироваться метилированием и фосфорилированием. Можно предположить, что это состояние становится основой биогенеза РНП-гранул и представляет собой способ организации различных немембранных органелл как в цитоплазме, так и в ядре. Вполне вероятно, что под воздействием определенных факторов данные немембранные структуры могут преобразоваться в патологические белковые агрегаты с замещением аморфной структуры амилоидной. Возможно, что некоторые СГ становятся предшественниками патологических белковых включений при нейродегенеративных протеинопатиях именно по такому механизму. Во время стресса ряд РНК-связывающих белков способствуют организации СГ и депонированию в них мРНК с помощью способности их прионоподобных доменов к самоорганизации. После окончания действия стресса СГ быстро распадаются и «освобожденная» мРНК возобновляет свои функции. Если же по каким-то причинам резидентное время подобных белков в СГ увеличивается, либо их концентрация в СГ повышена, то распад СГ может затрудняться из-за прочных белок-белковых взаимодействий прионоподобных доменов между собой. Таким образом, может возникнуть «центр инициации агрегации», который дает начало патологической белковой агрегации. Этот процесс можно описать как своего рода «стабилизацию» СГ с последующей их эволюцией по патологическому пути. На основании имеющихся данных можно говорить о существовании очень тонкой грани между физиологической и патологической агрегацией белков, при этом оба типа типа агрегации направляются прионоподобными доменами. Важной задачей на сегодня является установление факторов, способствующих «пересечению» этой границы и ведущих к запуску каскадного процесса неконтролируемой агрегации РНК-связывающих белков.