Badania pogłębiają naszą wiedzę na temat chorób neurodegeneracyjnych związanych z agregacją białek.
Najnowsze badanie opublikowane w czasopiśmie Zaawansowana nauka ujawnia, że rozdział fazy ciecz-ciecz nie prowadzi do tworzenia włókienek amyloidowych, które są patologiczną cechą choroby Parkinsona. Zamiast tego badanie sugeruje, że tworzenie się białek w kropelki cieczy może pomóc w rozpuszczeniu zagregowanego białka. Badania te poszerzają naszą wiedzę na temat chorób neurodegeneracyjnych związanych z agregacją białek i mogą pomóc w opracowaniu nowych strategii terapeutycznych.
Do oleju dodać ocet i wstrząsnąć: tworzą się kropelki oleju. Koncepcja separacji faz ciecz-ciecz jest znana w życiu codziennym od pokoleń, jednak jej istnienie w komórce stało się jednym z najgorętszych tematów w biologii.
Piętnaście lat temu odkryto, że cząsteczki białka mogą kondensować się w kropelki izolowane z cytoplazmy komórki bez zewnętrznej błony. W zarodkach nicieni, białkach i RNA Stwierdzono, że tworzą maleńkie kropelki, które pomagają zarządzać materiałem genetycznym we wczesnych stadiach wzrostu.
To odkrycie zapoczątkowało nowy sposób myślenia o komórce. Zoptymalizowany na drodze ewolucji rozdział fazy ciecz-ciecz może być wysoce funkcjonalny. Takie kropelki mogłyby umożliwić komórkom dzielenie cząsteczek i regulowanie reakcji biochemicznych. Teraz, mając oczy otwarte na taką możliwość, badacze odkryli je wszędzie: w jądrze, pomagając się organizować DNAtworząc granulki stresu w celu ochrony i regulacji mRNA, oraz na końcach mikrotubul, działając jako inteligentny klej molekularny do ustawiania jądra w celu podziału komórki.
Oprócz znaczenia funkcjonalnego, kropelki mają także związek z występowaniem chorób. W przypadku chorób neurodegeneracyjnych charakteryzujących się tworzeniem agregatów białkowych, np Alzheimera i Parkinsona przypuszcza się, że kropelki białek są prekursorem patologicznej agregacji białek.
Ideą tej teorii jest to, że kropelki mogą koncentrować pewne białka, co może popchnąć je do punktu agregacji. Potwierdzają to liczne obserwacje, że pewne warunki, takie jak stężenie soli lub pH, jednocześnie sprzyjają agregacji i kondensacji białek. Jednak to, czy – a w ogóle w jaki sposób – te dwa zjawiska są ze sobą powiązane, pozostaje nieudowodnione.
Teraz, w ramach najbardziej wszechstronnego badania związku między agregacją a separacją faz ciecz-ciecz, zespół badawczy kierowany przez Paul Scherrer Institute PSI odkrył, że tworzenie się kropel nie powoduje agregacji; przeciwnie, może przed nim chronić.
Pięćset warunków
Naukowcy zbadali białko alfa-synukleinę (ɑSyn), które zlepia się, tworząc włókienka amyloidowe, które ostatecznie prowadzą do śmierci komórek u pacjentów z chorobą Parkinsona.
Aby ustalić prawdziwy związek między agregacją a tworzeniem kropelek, badacze metodycznie badali zachowanie białek ɑSyn w różnorodnych warunkach: stężenie białka, stężenie soli oraz obecność różnych stężeń czynników wypychających, które naśladują złożone środowisko molekularne cytoplazma. Każdy z nich badano przy różnych wartościach pH.
W sumie naukowcy zbadali ponad pięćset różnych schorzeń. W przypadku każdego schorzenia monitorowali postęp tworzenia lub agregacji kropelek przez okres do czterech miesięcy, regularnie wykonując zdjęcia za pomocą mikroskopu świetlnego.
Aby zbadać tak wiele warunków, naukowcy wykorzystali zrobotyzowaną placówkę do krystalizacji w Swiss Light Source SLS. Technikę tę stosuje się zazwyczaj do przygotowania kryształów białek do eksperymentów z krystalografią rentgenowską.
„Bycie w dużych obiektach i współpraca z naukowcami zajmującymi się badaniami liniowymi umożliwiła nam podejście do tego problemu z innej perspektywy” – wyjaśnia Rebecca Sternke-Hoffmann, pierwsza autorka badania, badaczka z tytułem doktora w PSI. „Co ciekawe, krystalografowie już od bardzo dawna wiedzieli, że białka mogą tworzyć kropelki. To kolejna rzecz, którą zaobserwowali w poszukiwaniu idealnego kryształu” – dodaje naukowiec z PSI, Jinghui Luo, który kierował badaniem.
Aby uzupełnić tę makroskopową historię, badacze wykorzystali pomiary rozpraszania promieni rentgenowskich pod małymi kątami (SAXS) w szwajcarskim źródle światła SLS i przeprowadzili symulacje, aby zrozumieć obraz mikroskopowy.
Ocet w oleju i ocet w mleku to różne procesy.
Skrupulatne eksperymenty wykazały, że warunki, w których powstają stabilne kropelki lub agregacja białek, nie są takie same. W przeciwieństwie do konwencjonalnej teorii, że agregaty inicjują się z kropelek, badacze wykazali niezależne tworzenie się kropelek i agregatów w αSyn w różnych warunkach białka, soli i stłoczenia.
Dzięki długim badaniom naukowcy mogli sprawdzić, czy kropelki rzeczywiście ewoluowały w agregaty. Odpowiedź: nie, nawet po stu dwudziestu dniach. Rzeczywiście, zamiast sprzyjać agregacji we włókienka, niezwykłe kropelki zdawały się mieć odwrotny skutek. Podczas długich inkubacji, wcześniej uważane za nieodwracalne włókienka, przekształcają się w kropelki.
„Ta obserwacja wskazuje na funkcjonalną rolę kropelek cieczy w zapobieganiu tworzeniu się stałych agregatów w określonych warunkach” – mówi Luo. Obecne zrozumienie rozdziału fazy ciecz-ciecz w komórce identyfikuje go jako wysoce rozwiniętą cechę związaną z funkcjonalnością, podczas gdy agregacja, szczególnie w przypadku αSyn, jest powiązana z chorobą. „Z tej perspektywy byłoby nieco zaskakujące, gdyby kropelki białek były prekursorami agregacji białek” – sugeruje.
Dzięki pomiarom SAXS w połączeniu z symulacjami i analizą sekwencji badacze mogli zrozumieć zaobserwowane różnice: agregacja zachodzi głównie w wyniku interakcji między ogonami poszczególnych cząsteczek białka, podczas gdy rozdzielanie faz ciecz-ciecz następuje w wyniku interakcji między różnymi cząsteczkami białka.
Aby powiązać odkrycie z analogią oliwy i wody: do oliwy dodaj ocet, a olej utworzy kropelki. Do mleka i twardych agregatów formy białkowej dodajemy ocet. Chociaż w obu przypadkach winowajcą jest ocet, agregacją i tworzeniem kropel rządzą bardzo różne procesy.
Nowe molekularne zrozumienie chorób neurodegeneracyjnych
Głębsze zrozumienie złożonej zależności między agregacją białek a rozdzielaniem faz ciecz-ciecz jest istotne nie tylko w przypadku choroby Parkinsona, ale także innych chorób neurodegeneracyjnych charakteryzujących się agregacją białek, w tym choroby Alzheimera, choroby Huntingdona i choroby Creutzfeldta-Jakoba. To z kolei może prowadzić do nowych metod leczenia.
Odniesienie: „Faza separacji i agregacja α-synukleiny rozbieżnej w różnych warunkach soli” autorstwa: Rebecca Sternke-Hoffmann, Xun Sun, Andreas Menzel, Miriam Dos Santos Pinto, Urte Venclovaite, Michael Wördehoff, Wolfgang Hoyer, Wenwei Zheng i Jinghui Luo, 7 lipiec 2024, Zaawansowana nauka.
DOI: 10.1002/advs.202308279
