Łapanie gigantycznego białka: pięć nowych sposobów na schwytanie huntingtyny

Choroba Huntingtona (HD) jest spowodowana zmianą w pojedynczym genie znanym jako huntingtyna. Ten gen zawiera instrukcje do wytwarzania białka huntingtyny. Mimo że minęło ponad trzy dekady od odkrycia genu HD, naukowcy wciąż próbują ustalić, co dokładnie robi białko huntingtyny w zdrowych komórkach i jak wersja HD powoduje chorobę.

Jednym z powodów, dla których postęp jest tak powolny, jest to, że huntingtyna jest naprawdę trudna do zbadania. Jest ogromna, złożona w skomplikowany sposób, a narzędzia, które mieli naukowcy, nie były zbyt dobre w jejchwytaniu. W nowym badaniu zespół z Kanady i Japonii stworzył zupełnie nowe narzędzia chemiczne: maleńkie pierścienie białka zwane makrocyklami, które mogą chwycić huntingtynę w pięciu różnych miejscach. Co więc stworzyli, czego się dowiedzieli i dlaczego to ma znaczenie dla HD?

Gigantyczne białko, które trudno zobaczyć

Żeby zrozumieć wyzwanie, warto wyobrazić sobie huntingtynę. Jeśli większość białek jest jak zwykłe urządzenia domowe z jednym zadaniem, huntingtyna jest bardziej jak pełna kuchnia – zbudowana, żeby wspierać wiele różnych zadań jednocześnie.

To bardzo długi łańcuch, który składa się w dwie duże bryły połączone giętkim mostkiem. Zmiana genetyczna, która powoduje HD, znajduje się na samym początku białka huntingtyny, gdzie krótki powtarzający się segment (zbudowany z elementu budulcowego zwanego glutaminą) ulega nieprawidłowemu wydłużeniu. Ludzie zazwyczaj mają około 20–35 tych glutamin; w HD ta liczba przekracza 35 i może osiągnąć 50, 80 lub więcej.

Huntingtyna ma wiele zadań w organizmie. Pomaga przenosić rzeczy wewnątrz komórek, umożliwia komórkom dzielenie się i sprząta śmieci. Ale nie wiemy dokładnie, jak to wszystko robi.

Wiemy jedno na pewno: huntingtyna ma najlepszego przyjaciela zwanego HAP40, mniejsze białko, które się do niej przykleja, znane jako partner wiążący. Do tej pory HAP40 był jedynym partnerem wiążącym, dla którego naukowcy mają szczegółowy obraz strukturalny. Ustalenie, co jeszcze robi huntingtyna i z kim, było ograniczone przez brak ostrych, specyficznych narzędzi do jejchwytania.

Budowanie molekularnych haków chwytających

Żeby stworzyć lepsze narzędzia, naukowcy użyli sprytnego systemu zwanego RaPID. Pomyśl o RaPID jak o ogromnej randce w ciemno między maleńkimi peptydami (małymi kawałkami białka) a huntingtynę. Zespół stworzył super-gigantyczną kolekcję około jednego biliona różnych maleńkich peptydów — to 1 z 12 zerami!

Każdy peptyd został zgięty w zamknięty pierścień, trochę jak gumka recepturka. Zapętlony lub złożony kształt może chwycić rzeczy łatwiej niż prosta nić, tak jak zgięta spinacz może zahaczyć o przedmioty, podczas gdy prosty drut po prostu się przesuwa.

Każdy mały pierścień peptydowy miał do siebie przyczepioną własną etykietę identyfikacyjną (wykonaną z DNA). Kiedy więc pierścień wiązał się z huntingtyną, naukowcy mogli odczytać jego etykietę i dokładnie wiedzieć, który to był peptyd. Przeprowadzili kilka rund „łowienia”, aby wystawić kolekcję pierścieni peptydowych na działanie huntingtyny, zarówno samej, jak i związanej z jej przyjacielem HAP40. Zawęzili pulę do najbardziej „lepkich” i pięć pierścieni peptydowych okazało się najlepszymi wiązaczami huntingtyny: HL2, HL5, HD4, HHL1 i HHD3.

Zobaczenie dokładnie, gdzie każdy pierścień peptydowy się przykleja

Znalezienie pierścieni peptydowych, które przyczepiają się do huntingtyny, to tylko pierwszy krok. Następnie naukowcy chcieli wiedzieć, gdzie każdy z nich chwyta huntingtynę i jak mocno. Użyli trzech fajnych metod, żeby to ustalić:

• Testy, które mierzą, jak mocno pierścienie się trzymają. Wszystkie pięć pierścieni trzymało się naprawdę mocno, wystarczająco mocno, żeby być użytecznymi narzędziami, a może nawet punktem wyjścia dla potencjalnych leków, które mogłyby wyłowić toksyczną huntingtynę.
• Metoda zwana HDX-MS, która pokazuje, które części białka zostają zakryte, gdy pierścień się do niego przyczepia. Kiedy pierścień przyczepia się do huntingtyny, osłania pewne miejsca, pozostawiając „ślad”, który pomaga naukowcom ustalić, gdzie pierścień ląduje.
• Kriomikroskopia elektronowa (cryo-EM), która jest super-potężnym mikroskopem, który zamraża białka i robi obrazy 3D tak ostre, że można zobaczyć pojedyncze atomy. (Tak, to jest tak fajne, jak brzmi.) To pokazało dokładne kontakty, jakie każdy peptyd tworzy z białkiem huntingtyny.

Oto, co znaleźli: dwa pierścienie (HL2 i HD4) chwytają huntingtynę w miejscach odległych od jej najlepszego przyjaciela HAP40.

Dwa inne pierścienie (HHL1 i HHD3) działają tylko wtedy, gdy HAP40 jest tam, wciskając się w małą kieszonkę dokładnie między dwoma przyjaciółmi i składając się w kształt jak cyfra 8, żeby się zmieścić.

Ostatni pierścień (HL5) lubi huntingtynę tylko wtedy, gdy jest sama, bez HAP40.

I oto ważny punkt: pięć pierścieni chwytało zdrową huntingtynę i wydłużoną huntingtynę równie dobrze, co jest szczególnie przydatne w narzędziu zaprojektowanym do badania białka zarówno w zdrowych, jak i chorych komórkach.

Łowienie przyjaciół huntingtyny w prawdziwych komórkach

Użyteczne narzędzia muszą działać w prawdziwym życiu, nie tylko w probówkach. Więc naukowcy dodali mały haczyk (zwany biotyną) do swoich pierścieni peptydowych, jak haczyk wędkarski na żyłce. Naukowcy użyli tych peptydów jako przynęty, żeby zobaczyć, czy mogą złapać huntingtynę w ludzkich komórkach hodowanych w naczyniach, wraz z czymkolwiek innym, co się do niej przykleja.

Jeden przyjaciel huntingtyny wyróżniał się znacznie ponad resztę – HAP40. Pojawiał się w kółko, w każdym typie komórek, który naukowcy wypróbowali, włączając komórki podobne do mózgowych, które są podobne do tych uszkodzonych w HD. Nawet w komórkach z dłuższymi powtórzeniami CAG (jak Q45 lub Q81), huntingtyna zawsze miała HAP40 przyklejony do siebie.

Ponad 3000 innych białek zostało zgłoszonych jako wchodzące w kontakt z huntingtyną, ale ten eksperyment pokazuje, że HAP40 jest tym, który jest tam naprawdę cały czas. To silnie sugeruje, że huntingtyna i HAP40 funkcjonują jako jedna jednostka przez większość czasu, a „prawdziwa” forma huntingtyny wewnątrz komórek może prawie zawsze być parą huntingtyna–HAP40.

Dlaczego to ma znaczenie dla choroby Huntingtona

Te nowe pierścienie nie są jeszcze lekami i naukowcy uważają, żeby tego nie mówić. Ale otwierają wiele ekscytujących drzwi.

Po pierwsze, działają równie dobrze jak narzędzia, których naukowcy używali wcześniej do przyczepiania się i wizualizacji huntingtyny (zwane przeciwciałami), ale są mniejsze, tańsze i mogą chwycić wiele różnych części huntingtyny, nie tylko jedną. Są też wystarczająco małe, że mogłyby być w stanie wślizgnąć się do żywych komórek i związać huntingtynę, czego obecne przeciwciała nie mogą zrobić. To pozwoliłoby naukowcom badać huntingtynę wewnątrz żywych komórek w sposób, który jest obecnie niemożliwy.

Po drugie, wysokiej rozdzielczości obrazy 3D tych pierścieni peptydowych przyczepiających się do huntingtyny są jak plany do projektowania przyszłych leków. Na przykład kształt ósemki pokazuje dwie małe kieszenie w miejscu spotkania huntingtyny i HAP40, w które przyszłe leki mogłyby celować, potencjalnie w celu „wyłowienia” toksycznej huntingtyny. Pierścienie mogą być również używane jako część „chwytająca” fajnych nowych narzędzi, takich jak PROTACs (narzędzia, które każą komórce wyrzucić huntingtynę do kosza) lub znaczniki PET, które mogłyby pomóc lekarzom wizualizować huntingtynę w mózgach pacjentów.

Po trzecie, fakt, że huntingtyna jest prawie zawsze z HAP40 wewnątrz komórek, zmienia sposób, w jaki powinniśmy do niej podchodzić. Jeśli chcemy zrozumieć, co robi huntingtyna, lub jak ją naprawić, kiedy się zmienia i staje się toksyczna, prawdopodobnie musimy ją badać z HAP40, nie samą. Naukowcy mają teraz ostrzejszy zestaw narzędzi do zbadania tajemnicy, czy huntingtyna może funkcjonować bez HAP40.

Patrząc w przyszłość

Jak cała nauka, ten artykuł zostawia mnóstwo pytań. Pierścienie chwytają zdrową i HD huntingtynę w ten sam sposób, więc nie mogą nam jeszcze powiedzieć, jak celować tylko w szkodliwy rodzaj, co jest czymś, nad czym badacze wciąż pracują.

Następne kroki będą polegały na testowaniu ich wewnątrz żywych zwierząt i przeprojektowaniu ich, żeby wślizgnęły się do komórek. Znaleziono też kilku nowych możliwych partnerów wiążących huntingtyny, jak ACADVL i HEY1, dla których potrzebne są więcej testów, żeby potwierdzić.

To badanie daje społeczności HD zupełnie nowy zestaw narzędzi dla białka, które było naprawdę trudne do schwytania. Tak jak niesamowite mikroskopy zmieniły to, co naukowcy mogli zobaczyć, te maleńkie pierścienie peptydowe obiecują przekształcić to, o co możemy pytać o funkcję huntingtyny, w zdrowiu, w chorobie i w poszukiwaniu lekarstwa.

Podsumowanie

• Choroba Huntingtona (HD) jest spowodowana zmianą, która sprawia, że białko huntingtyny jest nieprawidłowo długie. Naukowcy wciąż nie wiedzą w pełni, co to białko robi, ponieważ jest ogromne i trudne do zbadania istniejącymi narzędziami.
• Używając systemu zwanego RaPID, zespół przetestował około jednego biliona maleńkich pierścieniowych fragmentów białka i zidentyfikował pięć, które przyczepiają się mocno i specyficznie do huntingtyny, każdy w innym, dobrze zdefiniowanym miejscu.
• Wysokorozdzielczy mikroskop pokazał dokładnie, jak pierścienie przyczepiają się do huntingtyny. Dwa z nich nawet składają się w fajny kształt ósemki, żeby zmieścić się w kieszonkę między huntingtynę a jej najlepszego przyjaciela HAP40.
• Kiedy pierścienie były używane do „wyławiania” huntingtyny z prawdziwych ludzkich komórek, prawie zawsze łapały wraz z nią HAP40, niezależnie od typu komórki czy długości powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD.
• Te pierścienie są stosunkowo tanie, małe i elastyczne, więc mogłyby pomóc stworzyć przyszłe leki na HD, narzędzia do obrazowania mózgu i nowe sposoby niszczenia szkodliwej huntingtyny.