Механизм контроля протеасомы через редактирование аминокислотной последовательности
Исследователи из Массачусетской больницы общего профиля (MGH) открыли механизм, с помощью которого клетки чувствуют дисфункцию протеасомы — клеточного компонента, разрушающего ненужные или дефектные белки — и реагируют ранее не описанным способом: редактированием аминокислотной последовательности ключевого сенсорного белка. Дисфункция протеасомы может приводить к накоплению аномальных белков, характерному для нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, и наблюдается при нормальном старении. Отчёт опубликован в журнале Cell.
Здоровые клетки реагируют на дисфункцию протеасомы увеличением производства её компонентов. Два года назад учёные Гэри Рувкун (Gary Ruvkun), старший автор статьи в Cell, и ведущий автор Николас Лербах (Nicolas Lehrbach) — оба из отдела молекулярной биологии MGH — идентифицировали у круглого червя C. elegans каскад сенсорных и сигнальных белков, включая фактор транскрипции SKN-1A, который позволяет клеткам обнаруживать и реагировать на дисфункцию протеасомы.
В статье в Cell описывается, как SKN-1A и его млекопитающий аналог Nrf1 модифицируются путём добавления молекулы сахара — гликана. В норме SKN-1A/Nrf1 эффективно деградирует протеасомой, что делает этот белок естественным монитором её функции. Если возможности протеасомы превышены (например, из-за избытка агрегатов белков), SKN-1A/Nrf1 деградирует не полностью, связывается с ДНК рядом с генами протеасомы и индуцирует производство дополнительных протеасом.
В 2016 году Лербах и Рувкун доказали, что активация SKN-1A/Nrf1 требует ферментативного разрезания белка, а также добавления и последующего удаления гликановых молекул. В новой работе они показывают, что белок PNG-1, удаляющий гликаны с SKN-1A, не только удаляет эти сахара, но и редактирует аминокислотную последовательность SKN-1A, превращая четыре остатка аспарагина в аспартаты. Если аспарагины превращаются в другую аминокислоту, SKN-1A становится нефункциональным. Генетическое введение аспартатных молекул активирует SKN-1A без необходимости в PNG-1, что указывает на ключевую роль именно редактирования последовательности, а не дегликозилирования. Этот вновь открытый механизм контроля функции протеасомы через редактирование аминокислотной последовательности представляет собой беспрецедентную посттрансляционную модификацию эндогенного белка.
Исследователи также обнаружили, что инженерная гиперактивация SKN-1A (путём генетического превращения четырёх дегликозилированных аспарагинов в аспартаты) приводит к выраженным эффектам на поддержание протеасомы и устойчивость к стрессу. Гиперактивный SKN-1A обеспечивает экстремальную устойчивость к ингибиторам протеасомы и эффективно «излечивает» модель болезни Альцгеймера у C. elegans.
Это открытие имеет важное значение для онкологии, старения, нейродегенеративных заболеваний и редкого человеческого заболевания, связанного с мутациями в белке NGLY1 (человеческая версия PNG-1 червя). Результаты на C. elegans позволяют предположить, что это расстройство также связано с неспособностью отредактировать модифицированные сахаром аспарагины в Nrf1 в аспартаты, что отключает способность протеасомы реагировать на агрегацию белков. Вмешательства, предварительно редактирующие эти молекулы аспарагина, могут реактивировать гены протеасомы у поражённых пациентов.
Во второй статье Лербаха и Рувкуна, опубликованной 11 апреля в журнале eLife, исследуется, как агрегация белков запускает активацию SKN-1A. Экспрессия человеческого амилоида бета в модели Альцгеймера у C. elegans запускает индуцированную SKN-1A активацию экспрессии генов протеасомы. Активированный SKN-1A затем обеспечивает устойчивость к возрастным эффектам агрегации амилоида бета, замедляя накопление пептида, связанного с болезнью Альцгеймера, и отсрочивая клеточную дисфункцию.
«Эти данные показывают, что SKN-1A отслеживает сворачивание белков и регулирует мощность протеасомы в соответствии с потребностями контроля качества белков», — объясняет Лербах. — «Способность этого пути смягчать эффекты возрастного неправильного сворачивания и агрегации белков поддерживает возможность того, что препараты или вмешательства, повышающие активность Nrf1 у людей, могут быть полезны при старении и лечении возрастной нейродегенерации».