Формирование пространственной структуры белков имеет важное значение для нормальной жизнедеятельности клеток организма. Агрегация белков в свою очередь, достаточно распространенный процесс в клетке. Однако, неправильное сворачивание белка по многим причинам, в том числе и неизвестным, может приводить к их дальнейшей агрегации. Отдельный тип таких агрегатов – это амилоидные агрегаты. Заболевания, при которых образуются амилоидные агрегаты, называются амилоидозы. К наиболее известным амилоидозам относятся болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, диабет II типа, прионные заболевания, а также системные амилоидозы. Несмотря на то, что белки, которые могут образовывать амилоидные агрегаты, различны по структуре, размерам и выполняемым функциям, формируемые ими амилоидные фибриллы имеют общие свойства. Основные свойства амилоидных агрегатов это наличие четвертичной кросс-β структуры, устойчивость к протеолизу, специфическое связывание с красителями.
Амилоидные агрегаты изучают уже долгое время, но существенного прогресса в этой области пока нет. Связано это с тем, что для изучения структуры белков при их переходе в форму, которая связана с патологией, необходимо применять совокупность большого количества сложных биофизических методов анализа. Проведение подобных экспериментов возможно только в условиях in vitro, на очищенных белках. Усугубляет ситуацию то, что помимо патологических амилоидов существуют также функциональные амилоиды, агрегация белков которых необходима для выполнения различных функций. При этом считается, что и патологические амилоидные агрегаты, и функциональные амилоидные агрегаты имеют одинаковую структуру и свойства. Тогда непонятно почему одни амилоидные агрегаты токсичны для организма, а другие наоборот не токсичны, и даже «полезны». Это главный вопрос, ответом на который станет путь решения основной проблемы – лечение амилоидозов.
Группа ученых из Пущино провела изучение структуры амилоидных агрегатов мышечного миозин связывающего белка С (С-белка). Полученные результаты расширяют представления о молекулярных механизмах образования амилоидов, и могут быть полезны для разработки методов лечения амилоидозов. Результаты работы представлены в январском номере International Journal of Molecular Science.
«Задачей нашей работы было углубиться в проблему структурных изменений при формирования амилоидных агрегатов на примере модельного белка – миозин связывающего белка С. Этот белок в сократительной единице мышц – саркомере взаимодействует с другими саркомерными белками и образует комплекс, выполняющий структурную функцию и, являющийся, по сути, мышечным каркасом», – рассказал кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Лаборатории структуры и функций мышечных белков ИТЭБ РАН Александр Бобылёв.
В исследовании показано, что выделенный из организма С-белок в искусственных условиях легко образует амилоиды, даже легче чем патологические амилоиды, такие, как например, амилоидный бета-пептид, являющийся одним из патологических признаков болезни Альцгеймера. Но при этом амилоидные агрегаты С-белка в организме не обнаружены. Функциональные амилоиды также не образуют патологических агрегатов в организме, а процесс их амилоидной агрегации является обратимым, в отличие от патологических амилоидных агрегатов. Разница между амилоидной агрегацией патологических и функциональных амилоидов кроется, скорее всего, на структурном уровне и сложно уловима.
«Хотя С-белок и не является функциональным амилоидом (таких свойств еще не выявлено), из-за его высокой агрегационной способности исследователи попытались выяснить, какие изменения происходят на уровне структуры белка при формировании им амилоидных агрегатов. «В первую очередь мы показали, что агрегаты С-белка in vitro имеют различную морфологию, что было показано электронной и атомно-силовой микроскопией, а также имеют четвертичную кросс-β структуру, что позволяет отнести их к амилоидным. Однако наиболее интересные данные были получены при исследовании вторичной структуры. Оказывается, при агрегации С-белка она не изменяется, что нехарактерно для большинства патологических амилоидов. Для формирования амилоидов необходим полный разворот структуры и формирование новой структуры с большим количеством бета участков. Отсутствие изменений во вторичной структуре С-белка и наличие большого количество неупорядоченных участков уже в амилоидных агрегатах свидетельствует о заложенной природой стабильности молекулы этого белка, – добавил Александр Бобылёв. – Для формирования амилоидных агрегатов С-белка требуется мало энергии, так как не приходится полностью разворачивать молекулу белка. Формирование амилоидной кросс-β структуры, возможно, происходит за счет частичного разворота его отдельных доменов с последующим взаимодействием открытых участков. Это вполне вероятно, учитывая, что в литературе есть данные по частичному развороту подобных доменов без применения особых усилий. Ещё одним интересным свойством С-белка, обеспечивающим его стабильность, является наличие низкой идентичности в аминокислотной последовательности между соседними доменами».
Из литературных данных известно, что чем ниже идентичность в аминокислотной последовательности между соседними доменами, тем меньше вероятности для белка формировать патологические амилоидные агрегаты. Связано это с тем, что при низкой идентичности (около 40% и ниже) при развороте белка время жизни промежуточных амилоидных форм (получивших название «внутримолекулярные амилоиды») слишком невелико, чтобы успеть взаимодействовать друг с другом и начать процесс амилоидной агрегации.
Таким образом, такие свойства С-белка, как высокая скорость агрегации при сохранении вторичной структуры и низкая идентичность в аминокислотной последовательности могут быть инструментом для формирования в клетках функциональных амилоидных агрегатов. Несомненно, что для борьбы с патологическими амилоидными агрегатами необходимо направлять усилия на исследование причин изменений вторичной структуры, приводящих к накоплению вредных амилоидных отложений.
Работа поддержана грантами Российского фонда фундаментальных исследований (№ 18-015-00268) и Российского научного фонда (№ 19-74-10051).
Источник: L.G. Bobyleva , S.A. Shumeyko, E.I. Yakupova, A.K. Surin, O.V. Galzitskaya, H. Kihara, A.A. Timchenko, M.A. Timchenko, N.V. Penkov, A.D. Nikulin, M.Yu. Suvorina, N.V. Molochkov, M.Yu. Lobanov, R.S. Fadeev, I.M. Vikhlyantsev, A.G. Bobylev. Myosin Binding Protein-C Forms Amyloid-Like Aggregates In Vitro. Int J Mol Sci. 2021 Jan 13;22(2):E731. doi: 10.3390/ijms22020731.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33450960/
Материал подготовила: Алсу Дюкина
Пресс-служба ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru
На фото: Александр Бобылев, Никита Пеньков, Лия Бобылева, Николай Молочков и Сергей Шумейко
Амилоидные агрегаты изучают уже долгое время, но существенного прогресса в этой области пока нет. Связано это с тем, что для изучения структуры белков при их переходе в форму, которая связана с патологией, необходимо применять совокупность большого количества сложных биофизических методов анализа. Проведение подобных экспериментов возможно только в условиях in vitro, на очищенных белках. Усугубляет ситуацию то, что помимо патологических амилоидов существуют также функциональные амилоиды, агрегация белков которых необходима для выполнения различных функций. При этом считается, что и патологические амилоидные агрегаты, и функциональные амилоидные агрегаты имеют одинаковую структуру и свойства. Тогда непонятно почему одни амилоидные агрегаты токсичны для организма, а другие наоборот не токсичны, и даже «полезны». Это главный вопрос, ответом на который станет путь решения основной проблемы – лечение амилоидозов.
Группа ученых из Пущино провела изучение структуры амилоидных агрегатов мышечного миозин связывающего белка С (С-белка). Полученные результаты расширяют представления о молекулярных механизмах образования амилоидов, и могут быть полезны для разработки методов лечения амилоидозов. Результаты работы представлены в январском номере International Journal of Molecular Science.
«Задачей нашей работы было углубиться в проблему структурных изменений при формирования амилоидных агрегатов на примере модельного белка – миозин связывающего белка С. Этот белок в сократительной единице мышц – саркомере взаимодействует с другими саркомерными белками и образует комплекс, выполняющий структурную функцию и, являющийся, по сути, мышечным каркасом», – рассказал кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Лаборатории структуры и функций мышечных белков ИТЭБ РАН Александр Бобылёв.
В исследовании показано, что выделенный из организма С-белок в искусственных условиях легко образует амилоиды, даже легче чем патологические амилоиды, такие, как например, амилоидный бета-пептид, являющийся одним из патологических признаков болезни Альцгеймера. Но при этом амилоидные агрегаты С-белка в организме не обнаружены. Функциональные амилоиды также не образуют патологических агрегатов в организме, а процесс их амилоидной агрегации является обратимым, в отличие от патологических амилоидных агрегатов. Разница между амилоидной агрегацией патологических и функциональных амилоидов кроется, скорее всего, на структурном уровне и сложно уловима.
«Хотя С-белок и не является функциональным амилоидом (таких свойств еще не выявлено), из-за его высокой агрегационной способности исследователи попытались выяснить, какие изменения происходят на уровне структуры белка при формировании им амилоидных агрегатов. «В первую очередь мы показали, что агрегаты С-белка in vitro имеют различную морфологию, что было показано электронной и атомно-силовой микроскопией, а также имеют четвертичную кросс-β структуру, что позволяет отнести их к амилоидным. Однако наиболее интересные данные были получены при исследовании вторичной структуры. Оказывается, при агрегации С-белка она не изменяется, что нехарактерно для большинства патологических амилоидов. Для формирования амилоидов необходим полный разворот структуры и формирование новой структуры с большим количеством бета участков. Отсутствие изменений во вторичной структуре С-белка и наличие большого количество неупорядоченных участков уже в амилоидных агрегатах свидетельствует о заложенной природой стабильности молекулы этого белка, – добавил Александр Бобылёв. – Для формирования амилоидных агрегатов С-белка требуется мало энергии, так как не приходится полностью разворачивать молекулу белка. Формирование амилоидной кросс-β структуры, возможно, происходит за счет частичного разворота его отдельных доменов с последующим взаимодействием открытых участков. Это вполне вероятно, учитывая, что в литературе есть данные по частичному развороту подобных доменов без применения особых усилий. Ещё одним интересным свойством С-белка, обеспечивающим его стабильность, является наличие низкой идентичности в аминокислотной последовательности между соседними доменами».
Из литературных данных известно, что чем ниже идентичность в аминокислотной последовательности между соседними доменами, тем меньше вероятности для белка формировать патологические амилоидные агрегаты. Связано это с тем, что при низкой идентичности (около 40% и ниже) при развороте белка время жизни промежуточных амилоидных форм (получивших название «внутримолекулярные амилоиды») слишком невелико, чтобы успеть взаимодействовать друг с другом и начать процесс амилоидной агрегации.
Таким образом, такие свойства С-белка, как высокая скорость агрегации при сохранении вторичной структуры и низкая идентичность в аминокислотной последовательности могут быть инструментом для формирования в клетках функциональных амилоидных агрегатов. Несомненно, что для борьбы с патологическими амилоидными агрегатами необходимо направлять усилия на исследование причин изменений вторичной структуры, приводящих к накоплению вредных амилоидных отложений.
Работа поддержана грантами Российского фонда фундаментальных исследований (№ 18-015-00268) и Российского научного фонда (№ 19-74-10051).
Источник: L.G. Bobyleva , S.A. Shumeyko, E.I. Yakupova, A.K. Surin, O.V. Galzitskaya, H. Kihara, A.A. Timchenko, M.A. Timchenko, N.V. Penkov, A.D. Nikulin, M.Yu. Suvorina, N.V. Molochkov, M.Yu. Lobanov, R.S. Fadeev, I.M. Vikhlyantsev, A.G. Bobylev. Myosin Binding Protein-C Forms Amyloid-Like Aggregates In Vitro. Int J Mol Sci. 2021 Jan 13;22(2):E731. doi: 10.3390/ijms22020731.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33450960/
Материал подготовила: Алсу Дюкина
Пресс-служба ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru
На фото: Александр Бобылев, Никита Пеньков, Лия Бобылева, Николай Молочков и Сергей Шумейко
Галерея
