Składanie koszuli z 3,5-metrowymi rękawami: zrozumienie fałdowania białek w chorobie Huntingtona

Wyobraź sobie ruchliwą fabrykę odzieży. Białka są jak świeżo uszyte koszule schodzące z maszyn. Są wiotkie, pomarszczone i mogą narobić niezłego bałaganu, jeśli pozostawi się je nierozłożone. Zazwyczaj komórkowa fabryka odzieży zatrudnia „białka opiekuńcze”, które działają jak wykwalifikowani prasowacze. Chwytają każdą koszulę, przykładają energię z gorącego żelazka i starannie składają ją we właściwy kształt, aby wszystko było schludne i uporządkowane.

Ale choroba Huntingtona (HD) tworzy nieprawidłowo ukształtowane ubrania, które mogą wyprowadzić z równowagi opiekuńcze składacze. Kiedy to się dzieje, białka, jak nieregularne koszule, mają tendencję do nieprawidłowego składania, plączą się i tworzą ogromny bałagan. W nowej pracy opublikowanej w Nature Communications zespół badaczy zagłębił się w to, jak mogliby poprawić proces fałdowania białek w HD poprzez zaprojektowanie dodatkowych opiekuńczych składaczy. Co więc odkryli i co to oznacza dla HD?

Składanie koszuli z 3,5-metrowymi rękawami

HD jest spowodowane przez rozszerzony odcinek liter genetycznych w genie huntingtyny, które produkują bardzo długie białko, zwane rozszerzoną huntingtyną. To bardzo długie białko tworzy szkodliwe skupiska, które formują się wewnątrz komórek. Jeśli komórka to ruchliwa fabryka odzieży, rozszerzona huntingtyna jest jak koszula z 3,5-metrowymi rękawami – trudna do złożenia i właściwego przechowania, powodująca duży bałagan.

Zazwyczaj istnieją białka pomocnicze, zwane „białkami opiekuńczymi”, które działają w całej komórce, aby upewnić się, że inne białka składają się prawidłowo i zapobiegają ich zlepianiu się. Jednak w chorobach takich jak HD ten system białek opiekuńczych może zostać przeciążony. Jest po prostu zbyt dużo rozszerzonej huntingtyny, aby mogły nadążyć.

PEX19: samodzielna maszyna składająca

Opiekunowie potrzebują stałego zapasu energii w postaci cząsteczki zwanej ATP oraz zespołu innych białek pomocniczych, żeby wykonywać swoją pracę prawidłowo. Ponieważ zależą od tego systemu wsparcia, sprawia to, że opiekunowie są skomplikowani do przekształcenia w leki – wymagają za dużo energii i pracy zespołowej. To jak próba użycia całej fabryki zamiast tylko jednej maszyny do wykonania zadania. To badanie skupia się na specyficznym typie opiekuna zwanym PEX19, który jest wyjątkowy, ponieważ działa bez potrzeby energii (ATP) czy jakiegokolwiek białka pomocniczego.

PEX19 normalnie pomaga określonym białkom dostać się do części komórki zwanej peroksysomem. Peroksysomy to małe fabryki recyklingu i detoksykacji wewnątrz komórek, które pracują nad rozkładem odpadów i szkodliwych substancji, takich jak tłuszcze i trucizny, żeby utrzymać komórkę zdrową poprzez przekształcanie ich w nieszkodliwą wodę i tlen. Ponieważ PEX19 działa samodzielnie i nie wymaga ATP, może potencjalnie zostać wykorzystany do rozwiązania problemu tworzenia skupisk białek bez potrzeby projektowania leczenia, które zawiera białka partnerskie.

Usuwanie skupisk w wielu modelach HD

Głównym celem tego badania było znalezienie sposobu na zapobieganie skupianiu się rozszerzonego zmutowanego białka huntingtyny, które przyczynia się do wystąpienia objawów HD. Badacze pomyśleli, że biorąc pod uwagę jego unikalne cechy, mogliby zmodyfikować PEX19 na poziomie molekularnym, żeby celować i usuwać szkodliwe skupiska huntingtyny. W tym celu wyprodukowali różne zmodyfikowane wersje opiekuna PEX19 i przetestowali, która wersja zapobiegała tworzeniu skupisk białek w różnych organizmach modelujących HD.

Najpierw zaprojektowali maleńkie komórki drożdży, które produkują białko huntingtyny. Jeśli pozostaną nieleczone, tworzą się skupiska białek, które sprawiają, że drożdże chorują. Badacze dodali do komórek drożdży dwie specjalnie zaprojektowane wersje PEX19 i zaobserwowali, że to leczenie zatrzymało skupiska huntingtyny przed sprawieniem, że drożdże zachorują.

Następnie dodali te dwie wersje PEX19 do ludzkich komórek HD hodowanych w naczyniu laboratoryjnym i zaobserwowali, że skupiska białka huntingtyny tworzyły się znacznie wolniej. Na koniec leczyli muszki owocowe HD swoją najskuteczniejszą wersją PEX19 i zaobserwowali, że te chore muszki żyły dłużej i mogły lepiej się wspinać – umiejętność, która pogarsza się u much z genem HD. Myślą, że było to spowodowane zmniejszeniem lepkich skupisk w ich mózgach.

Zatrzymywanie bałaganu zanim się zacznie

Te interesujące obserwacje sugerują, że niezależny od energii opiekun, PEX19, może zostać zaprojektowany, żeby celować i zapobiegać tworzeniu skupisk białka huntingtyny w drożdżach, ludzkich komórkach i mózgach muszek owocowych. To sugeruje, że te dwie specjalne wersje PEX19 mogą mieć potencjał terapeutyczny przeciwko HD u ludzi.

Oprócz tych wniosków badacze zidentyfikowali specyficzny mechanizm, przez który te dwie wersje PEX19 hamują skupiska białek – wgląd, który jest kluczowy dla rozwoju leków naśladujących działania PEX19. Zespół zaobserwował, że sztuczne warianty PEX19 mogą zapobiegać początkowemu tworzeniu skupisk białek, ale nie mogą rozbijać skupisk, które już się utworzyły, ponieważ wymaga to znacznej energii.

To różnica między schludnym składaniem każdej nieporęcznej koszuli z luźnymi rękawami zaraz po jej uszyciu, a radzeniem sobie z ogromną, bałaganiarską górą takich koszul. Chociaż to jest ograniczeniem zaprojektowanego PEX19, fakt, że opiekun jest niezależny od energii i nie wymaga wielu białek pomocniczych, nadal czyni go atrakcyjnym kandydatem do rozwoju terapeutycznego.

Dostrajanie fałd dla lepszego dopasowania

To badanie wnosi znaczący wkład poprzez wprowadzenie nowatorskiej strategii rozwoju terapii dla choroby Huntingtona i potencjalnie innych zaburzeń agregacji białek. Demonstruje wykonalność projektowania opiekuna niezależnego od ATP, żeby celować i redukować skupianie białka powodującego chorobę. To podejście oferuje alternatywę dla tradycyjnych opiekunów, które polegają na złożonych mechanizmach komórkowych i energii, co może ograniczać ich skuteczność w chorych komórkach.

Przyszłe prace powinny skupić się na dalszej optymalizacji zaprojektowanych wariantów PEX19, żeby zwiększyć ich specyficzność i skuteczność poprzez dostrajanie architektury PEX19, żeby lepiej wiązała się z białkiem huntingtyny. Dodatkowo testowanie tych wariantów w bardziej złożonych modelach ssaków i ostatecznie w badaniach klinicznych byłoby kluczowe dla ich rozwoju jako środka terapeutycznego dla choroby Huntingtona.

Podsumowanie

• Skupianie rozszerzonego białka huntingtyny wewnątrz komórek przyczynia się do choroby Huntingtona (HD).
• Tradycyjni opiekunowie białek, którzy mogliby zapobiegać tworzeniu skupisk białek, wymagają znacznej energii (ATP) i białek pomocniczych, co czyni je nieodpowiednimi jako proste leczenie.
• To badanie przeanalizowało wiele różnych wersji PEX19, wyjątkowego opiekuna, który funkcjonuje niezależnie i nie używa ATP, pod kątem ich zdolności do hamowania tworzenia skupisk białka huntingtyny w ludzkich i zwierzęcych komórkach.
• Zespół badawczy zidentyfikował dwie zaprojektowane wersje PEX19 zdolne do zapobiegania skupiskom białka huntingtyny w drożdżach, ludzkich komórkach i muszkach owocowych.
• Zaprojektowane warianty PEX19 mogą zapobiegać nowym skupiskom, ale nie są w stanie rozbijać już istniejących.
• Wyniki oferują uproszczone podejście do potencjalnych terapii HD i mogą zainspirować przyszłe badania nad optymalizacją tych wariantów i testowaniem ich w modelach ssaków oraz badaniach klinicznych.

Dowiedz się więcejOryginalny artykuł naukowy, „Inżynieria białka opiekuńczego błony komórkowej w celu złagodzenia proteotoksyczności zmutowanej huntingtyny” (dostęp otwarty).