Когда белки застревают в твёрдой фазе: раскрытие секретов болезней мозга
Многие заболевания мозга и нервной системы связаны с образованием в клетках белковых агрегатов, или твёрдых конденсатов, из их жидкой формы, но об этом процессе известно мало.
Этот переход из жидкости в твёрдое состояние может запустить формирование так называемых амилоидных фибрилл. Они, в свою очередь, могут образовывать бляшки в нейронах, вызывая нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера.
Биомедицинские инженеры Сиднейского университета в сотрудничестве с учёными из Кембриджского университета и Гарвардского университета разработали сложные оптические методы для наблюдения вблизи за процессом образования этих белковых агрегатов.
Тестируя белок, связанный с боковым амиотрофическим склерозом (БАС) — болезнью, которой страдал астрофизик профессор Стивен Хокинг, — исследователи внимательно отследили переход этого белка из жидкой фазы в твёрдую.
«Это огромный шаг вперёд в фундаментальном понимании того, как развиваются нейродегенеративные заболевания», — сказал доктор И Шэнь, ведущий автор исследования, опубликованного в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
«Теперь мы можем напрямую наблюдать переход этих критически важных белков из жидкости в твёрдое состояние в наномасштабе — в масштабе миллионной доли метра», — сказал доктор Даниэле Виголо, старший преподаватель Школы биомедицинской инженерии и член Института нанотехнологий Сиднейского университета.
Белки регулярно образуют конденсаты в процессе жидкость-жидкостного фазового разделения в широком спектре важных и здоровых биологических функций, таких как формирование человеческих эмбрионов. Этот процесс способствует биохимическим реакциям, где критически важна концентрация белка, а также поддерживает здоровые белок-белковые взаимодействия.
«Однако этот процесс также увеличивает риск дисфункциональной агрегации, когда в человеческих клетках образуются нездоровые агрегаты твёрдых белков», — сказал доктор Шэнь, научный сотрудник ARC DECRA в Школе химической и биомолекулярной инженерии и также член Sydney Nano.
«Это может привести к аномальным структурам, связанным с нейродегенеративными заболеваниями, потому что белки больше не демонстрируют быстрой обратимости обратно в жидкую форму. Поэтому крайне важно отслеживать динамику конденсатов, поскольку она напрямую влияет на патологические состояния», — сказала она.
Впервые в мире наномасштабное оптическое наблюдение этого процесса позволило команде определить, что переход белка из жидкости в твёрдое состояние начинается на границе раздела белковых конденсатов. Это окно в фазовый переход также показало, что внутренние структуры этих белковых агломератов гетерогенны, тогда как ранее считалось, что они однородны.
Доктор Виголо сказал: «Наши результаты обещают значительно улучшить наше фундаментальное понимание нейродегенеративных заболеваний.
Это открывает многообещающую новую область исследований для лучшего понимания того, как развиваются болезнь Альцгеймера и БАС в мозге, затрагивая миллионы людей во всём мире».