Proteinklumpar förstör hjärnan
Parkinsonsrelaterade proteinklumpar förstör hjärnans primära energimolekyl
En ny vetenskaplig rapport avslöjar att proteinaggregaten som är associerade med Parkinsons sjukdom inte är inerta klumpar av cellulärt avfall, utan snarare kemiskt aktiva strukturer som systematiskt kan förstöra den primära energimolekyl som används av hjärnceller. Forskningen, som publicerats i tidskriften Advanced Science, visar att dessa proteinplack kan fungera som små, okontrollerade enzymer, som bryter ner adenosintrfosfat och potentiellt svälter neuroner på den kraft de behöver för att överleva och fungera.
Forskare har länge försökt förstå hur ansamlingen av proteinklumpar, så kallade amyloider, leder till förödande neuronal död som ses vid neurodegenerativa tillstånd som Parkinsons sjukdom. Dessa klumpar består huvudsakligen av ett felveckat protein som kallas alfa-synuklein.
Den rådande uppfattningen har varit att dessa aggregat orsakar skada genom att fysiskt störa cellulära processer, göra hål i membran eller binda andra viktiga proteiner.
Emellertid misstänkte ett forskarteam lett av Pernilla Wittung- Stafshede vid Rice University att det kan finnas mer i den historien.
Tidigare arbete från samma grupp hade visat att alfa-synuklein-amyloider inte var kemiskt inaktiva. De kunde underlätta vissa kemiska reaktioner på enkla modellföreningar i ett provrör. Detta ledde forskarna till att ifrågasätta om dessa amyloider också kunde verka på biologiskt signifikanta molekyler inuti en cell. DE fokuserade på en av de mest grundläggande molekylerna i allt liv: adenosintrifosfat, den universella energivalutan som driver nästan all cellulär aktivitet.
Neuroner har exceptionellt höga energibehov och kan inte lagra bränsle, vilket gör dem särskilt sårbara för störningar i försörjningen av adenosintrifosfat. Teamet antog att om amyloider kunde bryta ner denna viktiga molekyl, skulle det representera ett helt nytt sätt på vilket dessa patologiska strukturer utövar sin toxicitet.
För att undersöka denna möjlighet genomförde forskarna en serie experiment. Först behövde de bekräfta att adenosintrifosfat ens integrerar med alfa-synuklein-amyloiderna. De använde en kemisk reaktion som de tidigare studerat, där amyloiderna bryter ner ett ämne som kallas para-nitrofenylortofosfat.
När de tillsatte adenosintrifosfat till denna blandning avstannade de ursprungliga reaktionen. Denna konkurrenseffekt tydde på att adenosintrifosfat band till samma aktiva plats som amyloidytan och trängde undan den andra substansen.
Efter att ha fastställt att adenosintrifosfat binder till amyloiderna testade forskarna sedan om det bröts ner. De blandade framställda alfa-synuklein-amyloider med en lösning av adenosintrifosfat och använde ett diagnostiskt verktyg som kallas Malachite Green assay, som ändrar färg i närvaro av fritt fosfat, en biprodukt av nedbrytningen av adenosintrifosfat.
De observerade en stadig ökning av fritt fosfat över tid, vilket bekräftade att amyloiderna faktiskt klyvde fosfatbildningarna i adenosintrifosfat. Denna aktivitet var katalytisk, vilket innebar att en enda amyloidstruktur kunde bearbeta många molekyler av adensintrifosfat, en efter en. Samma experiment som utfördes med individuella, icke-klumpade alfa-synukleinproteiner visade ingen sådan effekt, vilket indikerar att denna förmåga att dränera energi är egenskap som är specifik för den aggregerade amyloidformen.
För att förstå mekanismen bakom denna kemiska aktivitet använde teamet en kraftfull avbildningsteknik som kallas kryogen elektronmikroskopi. Denna metod gjorde det möjligt för dem att visualisera strukturen hos alfa-synukleinamyloiden på en nästan atomär detaljnivå medan den var bunden till adenosintrifosfat.
Resultatet avslöjade en anmärkningsvärd transformation. Själva amyloiden bildades av två sammanflätade filament, vilket skapade en kavitet mellan dem. När adenosintrifosfat kom in i denna kavitet, vek sig ett normalt flexibelt och oordnat segment av alfa-synukleinproteinet, bestående av aminosyra 16 till 22, till en ordnad beta-sträng. Denna nybildade struktur fungerade som ett lock, stängde över kaviteten och fångade molekylen inuti adenosintrifosfat.
Denna slutna ficka var fodrad med flera positivt laddade aminosyror som kallas lysiner.
Eftersom fosfatsvansen hos adenosintrifosfat är starkt negativt laddad, tjänar dessa lysiner sannolikt till att attrahera och hålla energimolekylen i en specifik orientering.
Strukturen antydde att denna inducerade anpassningsmekanism, där amyloiden ändrar form när den binder till sitt mål, var en viktig del av dess kemiska funktion.
För att bevisa att dessa specifika lysinrester var ansvariga för aktiviteten, genmodifierade forskarna flera mutanta versioner av alfa-synukleinproteinet. I varje version ersatte de en eller flera av de viktigaste lysinerna i kaviteten men den neutral aminosyra, alanin. Dessa mutanta proteiner kunde fortfarande bulda amyloidklumpar som liknade de ursprungliga.
När de testade de mutanta amyloiderna för deras förmåga att bryta ner adenosintrifosfat fann de att aktiviteten nästa var borta. Detta resultat bekräftade att de positivt laddade lysinerna är avgörande för amyloidens förmåga att utföra den kemiska realtionen.
I ett sista steg löste forskarna den högupplösta strukturen hos en av den inaktiva mutanta amyloiderna (K21A) medan den var bunden till adenosintrifosfat. Bilderna visade att energimolekylen fortfarande kunde sitta kvar i kaviteten, men dess orientering skilde sig från den som sågs i den aktiva, icke-mutanta amyloiden.
Ännu viktigare är att i detta inaktiva komplex vek sig inte det flexibla proteinsegmentet över för att bilda dem omslutande locket. Detta fynd gav starka bevis för att både korrekt positionering av adenosintrifosfat av lysinerna och den strukturella omstrukturering som stänger håligheten är nödvändiga för att nedbrytningen ska ske.
Studien har vissa begränsningar. Experimenten utfördes i en kontrollerad laboratoriemiljö, inte i levande celler eller organismer. Den specifika strukturella formen av den studerade alfa-synukleinamyloiden, känd som polymorf typ 1A, har ännu inte identifierats i hjärnan hos Parkinsonspatienter, även om liknande strukturer finns.
Dessutom var den hastighet med vilken amyloiderna bröt ner adenosintrifosfat långsam jämfört med naturliga enzymer. Framtida forskning kommer att behöva avgöra om denna process sker inom en neurons komplexa miljö och om andra, mer kliniskt relevanta amyloidformer delar denna toxiska förmåga.
Trots förbehåll introducerar resultaten en ny och potentiell betydande mekanism för neurodegeneration. Forskarna föreslår att även en långsam reaktion kan ha en djupgående lokal effekt. En amyloidplack innehåller en mycket hög densitet av dessa aktiva platser. Detta kan skapa en zon med allvarlig energibrist i omedelbar närhet av placket, vilket kan göra det oskadligt för viktiga cellulära maskiner.
Till exempel använder celler chaperonproteiner som kräver adenosintrifosfat för att försöka bryta ner just dessa amyloider. Om chaperonerna närmar sig amyloidplack och går in i en zon med energibrist, kan deras räddningsfunktion inaktiveras, vilket effektivt gör att placket kan skydda sig själv och bestå. Detta arbete förändrar synen på amyloider från passiva hinder till aktiva metaboliska avlopp, vilket öppnar nya vägar för att förstå och potentiellt behandla Parkinsons sjukdom.
Kommentarer
Skicka en kommentar