Степень токсичности хантингтина может определяться белковым составом клетки
Секвестрирование прионной формы фактора терминации транскрипции Sup35 (показан красным) полиглутаминами в агресоме (показана зеленым). Новым исследованием установлено, что образование агресом в клетках дрожжей в присутствии Sup35 не снижает токсичности мутантного хантингтина с полиглутаминовым трактом. Это предполагает возможность нового подхода к выявлению терапевтических мишеней для лечения болезни Хантингтона. (Фото: Georgia Tech/Yury Chernoff)
Исследование о разрушающих клетку эффектах болезни Хантингтона, проведенное учеными Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology, Georgia Tech), предполагает возможность нового подхода к выявлению терапевтических мишеней для лечения нейродегенеративных заболеваний.
Болезнь Хантингтона характеризуется прогрессирующей гибелью нейронов головного мозга и влияет на движения, когнитивные способности и психическое состояние. Генетически это заболевание связано с мутацией – увеличением количества повторов CAG (цитозин – аденин – гуанин) – в гене, кодирующем хантингтин, которая приводит к синтезу этого белка с расширенной областью, содержащей аминокислоту глутамин. При этом нормальный белок хантингтин необходим организму, хотя его функция до сих пор остается неизвестной.
Механизмы, определяющие степень тяжести заболевания и возраст пациента, в котором проявляются его первые симптомы, не исследованы, и при одинаковом увеличении количества триплетов CAG в гене хантингтина наблюдаются разная степень токсичности мутантного белка и разное время начала заболевания.
Новое исследование под руководством ученых Технологического института Джорджии предполагает, что цитотоксические эффекты белка хантингтина на клетки не находятся в строгой корреляции с количеством повторов CAG и обусловлены различиями в белковом составе клетки.
Исследователи встроили ген человеческого белка хантингтина с увеличенным количеством триплетов CAG, кодирующий белок с длинной цепочкой из аминокислоты глутамина (так называемым полиглутаминовым трактом), в клетки дрожжей и обнаружили различия в токсичности, основанные на других присутствующих в клетках белковых агрегатах – прионах.
«Это исследование уточняет генетические и эпигенетические механизмы, модулирующие токсичность полиглутамина, и предлагает новый подход к выявлению потенциальных терапевтических мишеней через характеристику уже существующих в клетке белков», - говорит его руководитель Юрий Чернов (Yury Chernoff), профессор Школы биологии Georgia Tech. «Хотя исследование проведено на дрожжах, вполне возможно, что существуют различия в агрегированных белках и в клетках человека, обусловливающие разную степень токсичности хантингтина».
В клетках человека полиглутаминовые фрагменты хантингтина образуют скопления, которые, до удаления из организма, как правило, транспортируются и накапливаются во внутреннем компартменте, называемом агресомой. Агресома находится вблизи ядра, связана с центросомой и образуется с участием микротрубочек цитоскелета. Другие неправильно свернутые белки также могут быть секвестрированы в агресому, указывая на эту структуру как на универсальный центр контроля качества агрегирующих белков.
Профессор Технологического института Джорджии Юрий Чернов (Yury Chernoff). (Фото: biology.gatech.edu)
Большинство ученых соглашаются с тем, что агресома играет цитопротекторную роль, осуществляя агрегацию мутантного хантингтина в одном месте и, возможно, содействуя его выведению, приводя в действие механизм аутофагии.
Однако данное исследование показывает, что молекулы хантингтина внутри агресомы могут сохранять цитотоксичность.
Эксперименты показали, что образование агресом в присутствии прионной формы белка Rnq1, снижало токсичность хантингтина в клетках дрожжей Saccharomyces cerevisiae, в то время как в присутствии прионной формы фактора терминации трансляции Sup35 токсичность хантингтина сохранялась.
«Остается неясным, вызывается ли токсичность в основном секвестрированием Sup35 агресомой или более мелкими агрегатами хантингтина, остающимися в цитоплазме», - объясняет профессор Чернов, являющийся также директором Center for Nanobiology of the Macromolecular Assembly Disorders (NanoMAD). «Хотя Sup35 обнаружен в агресоме, мы не знаем, секвестрируется ли ею функциональная фракция Sup35».
В следующем эксперименте ученые повысили уровень другого фактора терминации трансляции, Sup45, в присутствии Sup35 и установили, что эта комбинация снижает токсичность хантингтина.
«Несмотря на то, что сами прионы Rnq1 и Sup35 не вызывали значительной токсичности, эти результаты говорят о том, что токсичность усиливал прионный состав клетки», - отмечает профессор Чернов. «Прионы модулировали, какие из белков секвестрировались агресомой, так как белки, связанные с уже существующими прионами, секвестрировались в большей степени, как, например, Sup45 благодаря его связи с Sup35».
Остается неизвестным, могут ли полиглутамины секвестрировать человеческие варианты факторов терминации транскрипции Sup35 и Sup45, но эта работа указывает на возможность того, что организмы могут отличаться друг от друга белковым составом клеток, а это, в свою очередь, может влиять на их предрасположенность к полиглутаминовым заболеваниям, таким как болезнь Хантингтона.
Юрий Чернов, профессор Технологического института Джорджии, изучает амилоидные белки и прионы на дрожжевых моделях. Область его научных интересов – молекулярная генетика дрожжей, генетический контроль над биосинтезом белка, сворачивание и агрегация белков, шапероны и реакция на стресс и др.