Структура альфа-синуклеина удивила исследователей. (Фото:focushms.com)
Только что завершившееся исследование, опубликованное в журнале Nature, позволяет с большой долей вероятности предположить, что доминирующее представление о структуре ключевого белка болезни Паркинсона – альфа-синуклеина (alpha-synuclein) – является ошибочным. Белок альфа-синуклеин в здоровых клетках, судя по всему, имеет совершенно другую структуру, чем считалось ранее, что ставит под сомнение существующую парадигму заболевания и предполагает необходимость разработки нового подхода к его терапии.
«Полученные нами данные говорят о том, что представление об альфа-синуклеине как об изначально несвернутом белке без структуры является ошибочным», - говорит Деннис Селкоу (Dennis Selkoe), профессор неврологии Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) и Женской больницы Бригема (Brigham and Women’s Hospital), старший автор статьи в Nature. «Мы считаем, что это открытие имеет фундаментальное значение для понимания того, как альфа-синуклеин функционирует в обычных условиях и какие изменения он претерпевает при болезни Паркинсона».
Функция белков определяется их структурой. Белок состоит из цепочки химических строительных блоков (аминокислот), обычно свернутой в совершенную трехмерную структуру. Каждый изгиб и поворот цепи вносит вклад в уникальные свойства белка и его поведение, поэтому для ученых очень важно иметь точное представление о его фолдинге. Но иногда они ориентируются на совершенно неверную картину.
Вероятно, именно это и произошло в случае альфа-синуклеина – белка, образующего скопления, называемые тельцами Леви, в мозге пациентов с болезнью Паркинсона и некоторыми близкими к ней заболеваниями. Ученые давно приняли за догму, что в здоровом мозге альфа-синуклеин существует в виде одиночной случайно перекрученной цепочки аминокислот, напоминающей извивающуюся змею. Однако группа профессора Селкоу доказала, что его структура гораздо более упорядочена и сложна.
«Это открывает новые терапевтические перспективы», - утверждает первый автор статьи Тим Бартелс (Tim Bartels), постдокторант лаборатории профессора Селкоу. «Все считали этот белок несвернутым, поэтому фармацевтические компании сфокусировались на предотвращении агрегирования несвернутого альфа-синуклеина».
Деннис Селкоу (Dennis Selkoe).
(Фото: wellesley.edu)
Бартелс рекомендует новую стратегию – поддержание стабильности структуры свернутого белка.
Как случилось, что ученые до сих пор не знали истинной структуры альфа-синуклеина?
Еще до установления в 1997 году связи между альфа-синуклеином и болезнью Паркинсона было известно о широком распространении этого белка в мозге. Эксперименты середины 1990-х годов показали, что альфа-синуклеин сохраняет стабильность в условиях, разрушающих структуру большинства других белков.
Вспомним, что происходит при варке яйца: при нагревании его жидкие белки денатурируются, превращаясь в плотную белую массу. Но альфа-синуклеин, казалось, ведет себя так, как если бы, несмотря на многие проведенные на плите минуты, яйцо полностью оставалось вязким. Белок не осаждался и не свертывался при варке. Эта очевидная выносливость облегчала работу с альфа-синуклеином в лаборатории. Ученые могли кипятить белок и даже погружать его в детергенты и другие агрессивные химические вещества, считая при этом, что его структура остается неизменной.
Бартелса и Селкоу заинтересовало, не могли ли лаборатории, так грубо обращаясь с альфа-синуклеином, просмотреть важные аспекты его природной биологии. Чтобы перепроверить поведение альфа-синуклеина, используя более мягкие методы, они разработали серию экспериментов. Их целью было получить новые представления о кластеризации альфа-синуклеина. Кстати, начав работу с белком, полученным из человеческих клеток, а не из инженерных бактерий, исследователи снова нарушили традицию.
Первые же данные оказались полной неожиданностью: в клеточных образцах отдельные изолированные цепочки альфа-синуклеина - мономерная форма этого белка – отсутствовали.
«Я защищал свою кандидатскую диссертацию по альфа-синуклеину, и – как и весь мир – полагал, что в своей естественной форме он существует в виде несвернутого мономера. Я был просто в шоке», - вспоминает Бартелс.
Тельца Леви – округлые эозинофильные цитоплазматические включения в нейронах черной субстанции при болезни Паркинсона и в коре головного мозга пациентов с деменцией с тельцами Леви. Тельца Леви состоят из тонких нитей белка альфа-синуклеина. (Фото: firstaidteam.com)
Чтобы исследовать структуру альфа-синуклеина в крови здорового человека и клетках его мозга, ученые провели дополнительные эксперименты, используя специальные гели и другие методы, в меньшей степени разрушающие структуру белка. Природный белок имел молекулярную массу ровно в четыре раза большую, чем масса отдельной цепочки альфа-синуклеина, что давало все основания предположить, что клетки «упаковывают» четыре отдельные цепочки белка в тетрамер. На современном оборудовании с применением последних технологий исследователи подтвердили как молекулярную массу тетрамера, так и то, что он состоит исключительно из цепочек альфа-синуклеина, и эти четыре цепочки имеют упорядоченные изгибы.
Ученые установили, что тетрамер является преобладающей формой альфа-синуклеина в здоровых человеческих клетках и что он удивительно устойчив к агрегации. Тетрамеры сохраняли свою первоначальную структуру в течение 10 дней, то есть на всем протяжении эксперимента, пока ученые мониторировали поведение образцов с точки зрения их кластеризации. В противоположность этому мономеры альфа-синуклеина начинали образовывать кластеры через несколько дней и, в конечном итоге, формировали крупные скопления, называемые амилоидными волокнами. Из таких амилоидных волокон преимущественно состоят тельца Леви, накапливающиеся в мозге пациентов с болезнью Паркинсона.
«Мы предполагаем, что образованию крупных патологических агрегатов должен предшествовать распад свернутого белка на мономеры», - говорит профессор Селкоу. «Если бы нам удалось сохранить альфа-синуклеин в тетрамерной и растворимой форме, мы смогли бы предотвратить прогрессирование дегенерации нейронов при болезни Паркинсона – и, возможно, даже само ее развитие».
Это открытие может принести пользу и в области диагностики болезни Паркинсона. Возможно, количественное соотношение тетрамерной и мономерной форм белка в клетках крови, сыворотке и спинномозговой жидкости соответствует разной степени предрасположенности к развитию болезни Паркинсона или разным стадиям заболевания.
Наконец, открытие свернутых тетрамеров должно помочь лабораториям идентифицировать функцию альфа-синуклеина в здоровых клетках, до сих пор остающуюся предметом дискуссий. Знание этой функции, в свою очередь, внесет вклад в понимание болезни Паркинсона и других заболеваний, характерной особенностью которых является образование богатых скоплениями альфа-синуклеина телец Леви.