Распутывание неправильно свернутых молекул с помощью «перепрограммированного» дрожжевого белка

В основе таких заболеваний мозга, как боковой амиотрофический склероз (БАС), болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, лежит неправильное сворачивание белков, при котором деформированные белки не могут выполнять свои нормальные функции. В настоящее время не существует известного способа обратить этот процесс вспять.

Однако Джеймс Шортер, доктор философии, доцент кафедры биохимии и биофизики Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета, нашел возможный способ распутать неправильно свернутые белки путем «перепрограммирования» Hsp104 — распространенного дрожжевого белка. Работа была опубликована на этой неделе в журнале Cell.

Hsp104 является белком-шапероном, который помогает в правильном формировании и функционировании других белковых комплексов. Хотя Hsp104 — один из самых распространенных белков на планете, у людей или животных его аналога нет.

«Мы не понимаем, почему животные утратили ген Hsp104, но в то же время задаемся вопросом: "Есть ли в этом терапевтическая возможность?"» — говорит Шортер. — «Можем ли мы добавить его обратно в качестве прорывной технологии для борьбы с неправильным сворачиванием белков, характерным для некоторых болезней?»

В предыдущих исследованиях лаборатория Шортера установила, что естественная версия Hsp104 активна против нейродегенеративных белков, таких как альфа-синуклеин. «Мы экспрессировали дикий тип белка в крысиной модели болезни Паркинсона и наблюдали благоприятные фенотипы, — объясняет Шортер. — Но дикий тип белка просто не работает так хорошо, как нам хотелось бы».

В настоящем исследовании команда провела скрининг больших библиотек вариантов Hsp104, чтобы найти версии, которые могли бы как поддерживать структуру белка, так и разрушать неправильно свернутые агрегаты. «К счастью, из нашего скрининга выявилось несколько вариантов, которые могли подавлять токсичность, связанную с неправильно свернутыми и агрегированными болезнетворными белками FUS, TDP-43 и альфа-синуклеином в дрожжах, одновременно усиливая правильную функцию белка», — добавляет он.

Команда Шортера сотрудничала с лабораторией Гая Колдуэлла в Университете Алабамы, чтобы протестировать варианты Hsp104 в черве C. elegans. Было обнаружено значительное спасение от токсичности альфа-синуклеина. Это первый случай, когда инженерные ферменты показали способность подавлять нейродегенерацию у многоклеточного животного.

«Это очень захватывающе, поскольку не существует агентов, которые, как известно, спасали бы от нейродегенерации и одновременно обращали вспять неправильное сворачивание белков, — отмечает первый автор Мереддит Джекрел, доктор философии, постдок в лаборатории Шортера. — Конечно, никто никогда не пытался перепрограммировать существующий белок для выполнения этой задачи».

Шортер определил, что спирально-спиральный средний домен Hsp104 является основной областью, влияющей на его способность функционировать как шаперон. Незначительные мутации в этом домене, по-видимому, обладают широким потенциалом для раскрытия способности молекулы разрушать белковые агрегаты. Он предполагает, что средний домен Hsp104 функционирует подобно электрическому конденсатору, накапливая полезные возможности белка. Кажущееся небольшим изменение структуры среднего домена, а также других частей молекулы, таких как поровые петли, может высвободить удивительную терапевтическую силу.

Продемонстрировав эту силу на относительно примитивном виде червей, следующим шагом команды будет переход к более сложной животной модели — мышам, где побочные эффекты введения чужеродного белка в организм могут вызывать опасения.

Шортер объясняет, что помимо функции разрушения агрегатов Hsp104, «другой важной целью с точки зрения биоинженерии является сделать модифицированный Hsp104 специфичным к своей мишени, потому что все имеющиеся у нас в настоящее время варианты, кажется, работают универсально. Это не то, что нужно для терапевтического средства, поскольку могут быть побочные эффекты».

Он подчеркивает, что хотя его подход к перепроектированию белка еще не является лекарством или практическим лечением нейродегенеративных заболеваний, это важный первый шаг к этой конечной цели. Он показывает, что разрушение агрегатов — ранее считавшееся невозможным — теперь достижимо. «Мы определили, что активность по разрушению сгустков возможна в простой модельной системе. Задача состоит в том, чтобы продвинуть это дальше», — добавляет он.