Идентификация сайтов в белковой цепи, ответственных за β-агрегационную активность

Надежная идентификация β-агрегационных сайтов в белковой цепи важна для поиска терапевтических средств против таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, а также других, связанных с образованием наноамилоидов и отложением их в виде больших агрегатов различной архитектуры.

Группа исследователей описали метод поиска агрегационных областей в полипептидной цепи, способствующих образованию мономерных наноамилоидов и амилоидных фибрилл. Метод основан на построении профиля агрегационных свойств участка полипептидной цепи с учетом факторов, которые предложены авторами ранее для предсказания скорости агрегации: гидрофобность рассматриваемого участка, его предрасположенность к образованию α-спирали и β-структуры, а также абсолютная величина суммарного заряда. Эти исследования указывают на то, что образование амилоидной фибриллы не является только основным свойством остова наноамилоида, зависящим от внешних факторов, а это свойство определяется структурой аминокислотных остатков в определенных положениях, составляющих наноамилоид.

Нами был предложен новый метод FoldUnfold и FoldAmyloid для поиска амилоидогенных участков в белковой цепи, ответственных за образование олигомеров нано-Аβ, которые в процессе самосборки образуют патогенные амилоидные фибриллярные структуры.

Образование достаточного числа контактов между остатками необходимо, чтобы компенсировать потерю конформационной энтропии при сворачивании белка. Тем самым, нативная структура есть результат баланса между конформационной энтропией и энергией взаимодействия между остатками. С учетом этого факта было сделано два предположения. С одной стороны, если средняя плотность окружения (среднее число остатков на заданном расстоянии) меньше, чем «нормальная величина» данного параметра для глобулярных белков, то белок не свернется в нативную структуру, а будет нативно-развернутым. С другой стороны, если средняя плотность окружения больше, чем «нормальная величина» данного параметра для глобулярных белков, то белковой цепи будет выгоднее образовать амилоидную фибриллу (в которой смогут реализоваться все ожидаемые контакты), чем нативную глобулярную структуру. Предполагается, что упаковка внутри фибрилл плотная (так как экспериментально было показано, что амилоидная фибрилла термостабильна, нечувствительна к протеазам и богата β-структурой), поэтому области, которые потенциально могли бы плотно упаковываться (иметь высокую плотность окружения), будут иметь тенденцию образовывать наноамилоиды и амилоидные фибриллы. Данный подход был протестирован, в результате чего оказалось, что участки белковой цепи, которые обладают повышенной предполагаемой плотностью окружения, в большинстве случаев являются ответственными за амилоидогенные свойства белков, пептидов и образование наноамилоидов.

Стоит отметить, что на основании полученных экспериментальных данных по амилоидогенным участкам можно выделить два типа амилоидогенных фрагментов, которые ответственны за образование амилоидных фибрилл. Первый тип -амилоидогенный участок обогащен гидрофобными аминокислотами, и фибрилла стабилизируется за счет гидрофобных взаимодействий. Именно этот тип амилоидогенных фрагментов находит уже разработанный нами подход. Второй тип — фибрилла стабилизируется водородными связями, образованными боковыми группами аминокислотных остатков. В дальнейшем предполагается развитие данного подхода: поиск амилоидогенных участков второго типа и создание единого метода (и сервера FoldAmyloid) для предсказания амилоидогенных участков обоих типов. Нами сделаны предсказания амилоидогенных участков для ряда белков, для которых положение амилоидогенных участков известно из экспериментальных исследований. Предложенный нами подход дает неплохое согласие с экспериментом.

Основываясь на теоретических расчетах, были предложены несколько сценариев для агрегации нано-Аβ в фибриллярные структуры при БA. Во всех этих сценариях ранним ключевым событием является структурная перестройка постреакционного мономера, вызванная флуктуациями окружающей среды, воздействием денатуранта или взаимодействием с другими мономерами, которые усиливают агрегационные свойства молекул. Таким образом, совершенно необходимо описать структурные характеристики, которые могут инициировать образование наноамилоидного олигомера при взаимодействии мономерных наноамилоидов. Важно расшифровать, какие изменения в структуре будут усиливать мономерную форму наноамилоида.

Для Aβ-мономеров давно было показано, что остатки с 24 по 27 (VGSN) играют важную роль в локальном упорядочении, хотя считается, что они принимают неупорядоченную структуру. С помощью метода фотометки было показано, что нано-Аβ (1-40) находится в растворе в мономерной, димерной, трехмерной и тетрамерной формах, в то время как для нано-Аβ(1-42) превалирует пентамерная и гептамерная формы. На основании этого можно предположить, что размер критического ядра для образования наноамилоидной формы Aβ будет больше четырех или семи. Только в этом году нами впервые сделаны расчеты числа мономеров, входящих в ядро Aβ-протофибриллы, на основании модели амилоидообразования, разработанной нами. В случае Аβ-пептида размер ядра первичной нуклеации составляет 3 мономера, при этом процесс экспоненциального роста происходит по сценарию ветвления, и размер ядра вторичной нуклеации составляет 2 мономера.

Для белка Ure2p было найдено, что критическое ядро протофибриллы состоит из шести цепей, варьируя лаг-период амилоидообразования за счет изменения концентрации белка. Из-за сложности задачи эти данные не были подтверждены теоретическими расчетами. Р. Нельсон и соавторы, используя простые энергетические расчеты, предположили, что минимальное ядро для образования фибриллы пептидом GNNQQNY включает от трех до четырех цепей. Расчеты же других авторов показали, что минимальное ядро для этого пептида включает 6 цепей. Хотя нужно отметить, что данный расчет не принимает во внимание энтропийные эффекты, которые очень важны для нуклеационных расчетов. Рассмотрение энтропийных эффектов и полноатомное описание модели позволило другим авторам, Р.Д. Хиллу и K.Л. Бруксу, найти критическое ядро для пептида STVIYE, которое оказалось равным пяти мономерам. Используя эмпирические потенциалы, было показано, что время присоединения нанофрагмента Аβ(16-22) к уже образовавшемуся пентамеру остается все еще большим. Из полноатомного МД-моделирования прионового фрагмента из восьми остатков можно предположить, что восемь цепей является минимальным размером для образования олигомерного β-листа.

Для Аβ-пептида было показано, что N-концевой фрагмент 1-19 и С-концевой 35-40 наноамилоида более подвержены водородному обмену как в фибрилле, так и в протофибрилле. Фрагмент 20-34 сильно защищен от обмена в фибрилле и менее в протофибрилле, если предположить, что переход от протофибриллы к фибрилле связан с существенным упорядочением структуры в этом районе. На основании этих данных можно предположить, что на стадии образования олигомеров иаиоамилоидов и протофибрилл можно заблокировать амилоидогенные участки от дальнейшей структурной перестройки.