Исследование: пептиды, связанные с болезнью Альцгеймера, формируют токсичные кальциевые каналы в плазматической мембране

Болезнь Альцгеймера запускается неправильной обработкой белка-предшественника амилоида, что приводит к избытку коротких пептидных фрагментов, называемых A-бета. Долгое время считалось, что нейродегенерация связана с накоплением A-бета в нерастворимых фибриллярных бляшках. Однако всё больше подозрений падает на меньшие, растворимые комплексы A-бета как на токсичную форму белка, отчасти из-за их способности вызывать избыточный приток кальция в клетки, что нарушает синаптическую передачу и стимулирует гибель клеток. Новое исследование в The Journal of Cell Biology с использованием высокоразрешающей визуализации показало, что олигомеры A-бета повышают уровень кальция, формируя проницаемые для кальция поры в плазматической мембране.

Олигомеры A-бета могли вызывать приток кальция, физически нарушая внешнюю мембрану клетки или активируя эндогенные кальциевые каналы. Однако исследования также показали, что пептиды A-бета сами могут формировать проницаемые для кальция поры как в искусственных, так и в клеточных мембранах. Ограничение экспериментальных методов, использовавшихся до сих пор, по словам Анджело Демуро из Калифорнийского университета в Ирвайне, заключается в том, что они отслеживают активность только одного или двух каналов за раз. Кроме того, разные группы получали противоречивые данные о свойствах каналов A-бета с помощью этого подхода.

Чтобы преодолеть эти проблемы, Демуро и коллеги разработали альтернативный метод измерения активности кальциевых каналов в живых клетках. «Мы можем одновременно регистрировать поведение тысяч каналов с помощью метода визуализации, который мы называем оптическим пэтч-клэмпингом», — объясняет Демуро. В этом подходе яйцеклетки лягушки заполняют кальций-чувствительным красителем, и исследователи наблюдают за частью клетки, ближайшей к внешней мембране. Когда мембранные каналы открываются для входа кальция в клетку, небольшие флуоресцентные вспышки указывают на продолжительность и степень притока кальция через каждую отдельную пору.

Демуро и коллеги обнаружили, что уже через двадцать минут после добавления олигомеров A-бета к яйцеклеткам в них появились мерцающие пятна флуоресценции, означающие приток кальция через одиночные мембранные каналы. Этот приток вряд ли был через эндогенные каналы, активированные A-бета, поскольку яйцеклетки лягушки почти не экспрессируют собственные кальциевые каналы. Более того, агрегаты A-бета не просто разрушали мембрану яйцеклеток, так как приток ингибировался ионами цинка, которые блокируют проницаемые для кальция поры.

Таким образом, олигомеры A-бета формируют собственные проницаемые для кальция каналы в мембране. Демуро и коллеги охарактеризовали свойства этих пор, одновременно визуализируя активность тысяч каналов в одной области мембраны. «Они все разные, — говорит Демуро. — [Поры] демонстрируют широкий спектр поведения». Большинство пор открывались редко и пропускали лишь небольшое количество кальция, но некоторые открывались чаще и пропускали в клетку большие количества кальция. Хотя их немного, измерения Демуро и коллег предполагают, что именно этот тип пор может быть в основном ответственен за токсичное повышение уровня кальция в цитоплазме.

Различия в свойствах отдельных пор могут быть вызваны различиями в количестве пептидов A-бета, собранных в каждый канал, причём олигомеры более высокого порядка формируют более активные поры. «Было бы интересно визуализировать, сколько пептидов A-бета имеет каждая пора и связано ли это с активностью канала», — говорит Демуро. Если активность поры зависит от состояния олигомеризации A-бета, то, по-видимому, пептиды A-бета продолжают собираться после встраивания в мембраны, так как поры становились более активными при более длительном воздействии олигомеров A-бета на яйцеклетки. Это увеличение притока кальция со временем может быть связано с постепенным прогрессированием симптомов Альцгеймера.

Помимо болезни Альцгеймера, подход Демуро и коллег может помочь объяснить патогенез других нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Паркинсона и Хантингтона, в которых о неправильно свёрнутых и агрегированных белках также сообщалось, что они формируют проницаемые для кальция каналы.