stringtranslate.com

Агрегация белков

Неправильно свернутые белки могут образовывать белковые агрегаты или амилоидные фибриллы , разрушаться или восстанавливать свою нативную структуру .

В молекулярной биологии агрегация белков представляет собой явление, при котором внутренне неупорядоченные или неправильно свернутые белки агрегируют (т. е. накапливаются и слипаются) либо внутри, либо внеклеточно. [1] [2] Белковые агрегаты вовлечены в широкий спектр заболеваний, известных как амилоидозы , включая БАС , болезнь Альцгеймера , Паркинсона и прионную болезнь. [3] [4]

После синтеза белки обычно сворачиваются в определенную трехмерную конформацию , которая является наиболее термодинамически выгодной : в их нативное состояние . [5] Этот процесс сворачивания обусловлен гидрофобным эффектом : тенденцией гидрофобных (боящихся воды) частей белка защищать себя от гидрофильной (любящей воду) среды клетки, погружаясь во внутреннюю часть белка. Таким образом, внешняя часть белка обычно гидрофильна, тогда как внутренняя часть обычно гидрофобна.

Белковые структуры стабилизируются за счет нековалентных взаимодействий и дисульфидных связей между двумя остатками цистеина . К нековалентным взаимодействиям относятся ионные взаимодействия и слабые взаимодействия Ван-дер-Ваальса . Ионные взаимодействия возникают между анионом и катионом и образуют солевые мостики , которые помогают стабилизировать белок. Взаимодействия Ван-дер-Ваальса включают неполярные взаимодействия (т.е. дисперсионную силу Лондона ) и полярные взаимодействия (т.е. водородные связи , диполь-дипольную связь ). Они играют важную роль во вторичной структуре белка , например, в формировании альфа-спирали или бета-листа , а также третичной структуры. Взаимодействия между аминокислотными остатками в конкретном белке очень важны для окончательной структуры этого белка.

Когда происходят изменения в нековалентных взаимодействиях, что может произойти при изменении аминокислотной последовательности, белок подвержен неправильному сворачиванию или разворачиванию. В этих случаях, если клетка не помогает белку в повторной укладке или не разрушает развернутый белок, развернутый/неправильно свернутый белок может агрегировать, при этом открытые гидрофобные части белка могут взаимодействовать с открытыми гидрофобными участками других белков. . [6] [7] Существует три основных типа белковых агрегатов, которые могут образовываться: аморфные агрегаты, олигомеры и амилоидные фибриллы. [8]

Причины

Агрегация белков может происходить по разным причинам. Эти причины можно разделить на четыре класса, которые подробно описаны ниже.

Мутации

Мутации , возникающие в последовательности ДНК, могут влиять или не влиять на аминокислотную последовательность белка. Когда последовательность изменена, другая аминокислота может изменить взаимодействие между боковыми цепями, которые влияют на сворачивание белка. Это может привести к обнажению гидрофобных участков белка, которые агрегируются с тем же неправильно свернутым/развернутым белком или с другим белком. [9]

Помимо мутаций в самих затронутых белках, агрегация белков также может быть вызвана косвенно через мутации в белках в регуляторных путях, таких как путь рефолдинга (молекулярные шапероны ) или путь убиквитин-протеасома (убиквитинлигазы). [10] Шапероны помогают в рефолдинге белка, обеспечивая безопасную среду для сворачивания белка. Убиквитинлигазы направляют белки на деградацию посредством модификации убиквитина. [11]

Проблемы с синтезом белка

Агрегация белка может быть вызвана проблемами, возникающими во время транскрипции или трансляции . Во время транскрипции ДНК копируется в мРНК, образуя цепь пре-мРНК, которая подвергается процессингу РНК с образованием мРНК. [12] Во время трансляции рибосомы и тРНК помогают перевести последовательность мРНК в аминокислотную последовательность. [12] Если на любом из этапов возникают проблемы, связанные с образованием неправильной цепи мРНК и/или неправильной аминокислотной последовательности, это может привести к неправильному сворачиванию белка, что приведет к агрегации белка. [ нужна цитата ]

Экологические стрессы

Экологические стрессы, такие как экстремальные температуры и pH или окислительный стресс, также могут привести к агрегации белков. [13] Одним из таких заболеваний является криоглобулинемия .

Экстремальные температуры могут ослабить и дестабилизировать нековалентные взаимодействия между аминокислотными остатками. Показатель pH за пределами диапазона pH белка может изменить состояние протонирования аминокислот, что может увеличить или уменьшить нековалентные взаимодействия. Это также может привести к менее стабильным взаимодействиям и привести к разворачиванию белка.

Окислительный стресс может быть вызван радикалами, такими как активные формы кислорода (АФК). Эти нестабильные радикалы могут атаковать аминокислотные остатки, приводя к окислению боковых цепей (например, ароматических боковых цепей, боковых цепей метионина ) и/или расщеплению полипептидных связей. [14] Это может повлиять на нековалентные взаимодействия, которые правильно удерживают белок вместе, что может вызвать дестабилизацию белка и привести к его разворачиванию. [13]

Старение

В клетках есть механизмы, которые могут рефолдировать или разрушать белковые агрегаты. Однако по мере старения клеток эти механизмы контроля ослабевают, и клетка становится менее способна расщеплять агрегаты. [13]

Гипотеза о том, что агрегация белков является причинным процессом старения, теперь поддается проверке, поскольку существуют некоторые модели замедленного старения. Если развитие белковых агрегатов было процессом, независимым от старения, замедление старения не окажет влияния на скорость протеотоксичности с течением времени. Однако если старение связано со снижением активности защитных механизмов против протеотоксичности, модели медленного старения продемонстрируют снижение агрегации и протеотоксичности. Для решения этой проблемы было проведено несколько исследований токсичности C. elegans . Эти исследования показали, что снижение активности передачи сигналов инсулина/IGF (IIS), ведущего пути регуляции старения, защищает от агрегации токсичных белков, связанной с нейродегенерацией. Обоснованность этого подхода была проверена и подтверждена на млекопитающих, поскольку снижение активности сигнального пути IGF-1 защищало мышей на модели болезни Альцгеймера от поведенческих и биохимических нарушений, связанных с этим заболеванием. [15]

Совокупная локализация

Несколько исследований показали, что клеточные реакции на агрегацию белков хорошо регулируются и организованы. Белковые агрегаты локализуются в определенных областях клетки, и исследования этой локализации проводились у прокариот (E.coli) и эукариотов (дрожжи, клетки млекопитающих). [16] С макроскопической точки зрения, индикаторы позитронно-эмиссионной томографии используются для обнаружения некоторых неправильно свернутых белков. [17] Недавно группа исследователей под руководством доктора Алессандро Крими предложила метод машинного обучения для прогнозирования будущих отложений в мозге. [18]


Бактерии

Агрегаты у бактерий асимметрично оказываются на одном из полюсов клетки, «старшем полюсе». После деления клетки дочерние клетки со старшим полюсом получают белковый агрегат и растут медленнее, чем дочерние клетки без агрегата. Это обеспечивает механизм естественного отбора для уменьшения белковых агрегатов в бактериальной популяции. [19]

Дрожжи

Большинство белковых агрегатов в дрожжевых клетках рефолдируются молекулярными шаперонами. Однако некоторые агрегаты, такие как окислительно-поврежденные белки или белки, подлежащие деградации, не могут быть повторно свернуты. Скорее, есть два компартмента, в которых они могут оказаться. Белковые агрегаты могут быть локализованы в околоядерном компартменте контроля качества ( JUNQ ), который находится рядом с ядерной мембраной, или в депозитарном нерастворимом белке ( IPOD ), рядом с вакуолью. дрожжевые клетки. [13] Белковые агрегаты локализуются в JUNQ, когда они убиквитинированы и нацелены на деградацию. Агрегированные и нерастворимые белки локализуются на IPOD в виде более постоянных отложений. Есть свидетельства того, что белки здесь могут быть удалены путем аутофагии. [20] Эти два пути работают вместе, поскольку белки имеют тенденцию поступать в IPOD, когда протеасомный путь перегружен. [20]

Клетки млекопитающих

В клетках млекопитающих эти белковые агрегаты называются «агресомами» и образуются при заболевании клетки. Это связано с тем, что агрегаты имеют тенденцию образовываться, когда в клетке присутствуют гетерологичные белки , что может возникнуть при мутации клетки. Разные мутанты одного и того же белка могут образовывать агресомы разной морфологии: от диффузного рассеяния растворимых частиц до крупных точек, которые, в свою очередь, несут разную патогенность. [21] Убиквитинлигаза E3 способна распознавать неправильно свернутые белки и убиквинировать их. HDAC6 может затем связываться с убиквитином и моторным белком динеином , чтобы доставить меченные агрегаты в центр организации микротрубочек ( MTOC ). Там они объединяются в сферу, окружающую ЦМТО. Они приносят шапероны и протеасомы и активируют аутофагию. [22]

Устранение

В клетке существуют две основные системы контроля качества белка, которые отвечают за устранение белковых агрегатов. Неправильно свернутые белки могут повторно сворачиваться с помощью бишапероновой системы или разрушаться с помощью убиквитиновой протеасомной системы или аутофагии. [23]

Переворачивание

Бишаперонная система использует шапероны Hsp70 (DnaK-DnaJ-GrpE в E. coli и Ssa1-Ydj1/Sis1-Sse1/Fe1 в дрожжах) и Hsp100 (ClpB в E. coli и Hsp104 в дрожжах) для дезагрегации и рефолдинга белков. . [24]

Hsp70 взаимодействует с агрегатами белков и рекрутирует Hsp100. Hsp70 стабилизирует активированный Hsp100. Белки Hsp100 имеют ароматические петли пор, которые используются для распутывания отдельных полипептидов. Эта активность нити может быть инициирована на N-конце, С-конце или в середине полипептида. Полипептид транслоцируется через Hsp100 в несколько этапов, на каждом этапе используя АТФ. [24] Полипептид разворачивается, а затем ему разрешается повторно сворачиваться либо сам по себе, либо с помощью белков теплового шока. [25]

Деградация

Неправильно свернутые белки можно устранить с помощью системы убиквитин-протеасома ( UPS ). Он состоит из пути E1-E2-E3, который убиквинизирует белки, чтобы пометить их для деградации. У эукариот белки разрушаются протеасомой 26S. В клетках млекопитающих лигаза E3, карбокси-концевой белок, взаимодействующий с Hsp70 (CHIP), нацелена на белки, связанные с Hsp70. У дрожжей лигазы E3 Doa10 и Hrd1 имеют сходные функции в отношении белков эндоплазматической сети . [26] На молекулярном уровне скорость деградации агрегатов варьируется от белка к белку из-за их разной внутренней среды и, следовательно, разной доступности для молекул протеаз. [27]

Неправильно свернутые белки также можно устранить посредством аутофагии, при которой белковые агрегаты доставляются в лизосому. [26]

Токсичность

Хотя считалось, что зрелые белковые агрегаты сами по себе токсичны, данные свидетельствуют о том, что на самом деле наиболее токсичными являются незрелые белковые агрегаты. [28] [29] Гидрофобные участки этих агрегатов могут взаимодействовать с другими компонентами клетки и повреждать их. Гипотезы заключаются в том, что токсичность белковых агрегатов связана с механизмами секвестрации клеточных компонентов, генерацией активных форм кислорода и связыванием со специфическими рецепторами в мембране или посредством разрушения мембран. [30] Количественный анализ был использован для определения того, что виды с более высокой молекулярной массой ответственны за проникновение через мембрану. [31] Известно, что белковые агрегаты in vitro могут дестабилизировать искусственные фосфолипидные бислои, приводя к проницаемости мембраны. [ нужна цитата ]

В биопроизводстве

Агрегация белков также является распространенным явлением в процессе производства биофармацевтических препаратов, которое может представлять риск для пациентов из-за возникновения неблагоприятных иммунных реакций. [32]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Агуцци А., О'Коннор Т. (март 2010 г.). «Болезни агрегации белков: патогенность и терапевтические перспективы». Обзоры природы. Открытие наркотиков . 9 (3): 237–248. дои : 10.1038/nrd3050. PMID  20190788. S2CID  5756683.
  2. ^ Стефани М., Добсон К.М. (ноябрь 2003 г.). «Агрегация белков и совокупная токсичность: новое понимание сворачивания белков, болезней неправильного сворачивания и биологической эволюции». Журнал молекулярной медицины . 81 (11): 678–699. дои : 10.1007/s00109-003-0464-5. PMID  12942175. S2CID  23544974.
  3. ^ Де Феличе Ф.Г., Виейра М.Н., Мейреллес М.Н., Морозова-Рош Л.А., Добсон К.М., Феррейра С.Т. (июль 2004 г.). «Образование амилоидных агрегатов из человеческого лизоцима и его связанных с заболеванием вариантов с использованием гидростатического давления». Журнал ФАСЭБ . 18 (10): 1099–1101. дои : 10.1096/fj.03-1072fje. PMID  15155566. S2CID  13647147.
  4. ^ Танзи Р.Э., Бертрам Л. (февраль 2005 г.). «Двадцать лет амилоидной гипотезы болезни Альцгеймера: генетическая перспектива». Клетка . 120 (4): 545–555. дои : 10.1016/j.cell.2005.02.008 . PMID  15734686. S2CID  206559875.
  5. ^ Брюнинг А, Юксток Дж (1 января 2015 г.). «Неправильно свернутые белки: от маленьких злодеев к маленьким помощникам в борьбе с раком». Границы онкологии . 5 : 47. doi : 10.3389/fonc.2015.00047 . ПМЦ 4338749 . ПМИД  25759792. 
  6. ^ Гетинг MJ, Сэмбрук Дж (январь 1992 г.). «Складывание белка в клетке». Природа . 355 (6355): 33–45. Бибкод : 1992Natur.355...33G. дои : 10.1038/355033a0. PMID  1731198. S2CID  4330003.
  7. ^ Робертс CJ (декабрь 2007 г.). «Кинетика агрегации неродных белков». Биотехнология и биоинженерия . 98 (5): 927–938. дои : 10.1002/бит.21627 . PMID  17705294. S2CID  21787377.
  8. ^ Кокс Д.Л., Нельсон М.М. (2013). Ленингерские принципы биохимии . Нью-Йорк: WH Freeman. п. 143. ИСБН 978-1-4292-3414-6.
  9. ^ Паланикумар Л., Карпаускайте Л., Аль-Сайег М., Чехаде И., Алам М., Хасан С. и др. (июнь 2021 г.). «Белковый миметический ингибитор амилоида эффективно отменяет агрегацию связанного с раком мутанта р53 и восстанавливает функцию супрессора опухоли». Природные коммуникации . 12 (1): 3962. Бибкод : 2021NatCo..12.3962P. дои : 10.1038/s41467-021-23985-1. ПМЦ 8233319 . ПМИД  34172723. 
  10. ^ Берке С.Дж., Полсон Х.Л. (июнь 2003 г.). «Агрегация белков и путь протеасомы убиквитина: получение поддержки UPPer в борьбе с нейродегенерацией». Текущее мнение в области генетики и развития . 13 (3): 253–261. дои : 10.1016/S0959-437X(03)00053-4. ПМИД  12787787.
  11. ^ Гриллари Дж., Гриллари-Фоглауэр Р., Янсен-Дюрр П. (2010). Урбани Ф., Магариньос Р., Пуэртас С., Карретеро М., Родригес В., Линьярес Р. и др. (ред.). Посттрансляционная модификация клеточных белков убиквитином и убиквитиноподобными молекулами: роль в клеточном старении и старении . Springer Science+Business Media . стр. 172–196. ISBN 978-1-4419-7002-2.
  12. ^ аб Уивер РФ (2012). Молекулярная биология . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 122–156, 523–600. ISBN 978-0-07-352532-7.
  13. ^ abcd Тайдмерс Дж., Могк А., Букау Б. (ноябрь 2010 г.). «Клеточные стратегии контроля агрегации белков». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 11 (11): 777–788. дои : 10.1038/nrm2993. PMID  20944667. S2CID  22449895.
  14. ^ Штадтман Э.Р., Левин Р.Л. (декабрь 2003 г.). «Свободнорадикальное окисление свободных аминокислот и аминокислотных остатков в белках». Аминокислоты . 25 (3–4): 207–218. дои : 10.1007/s00726-003-0011-2. PMID  14661084. S2CID  26844881.
  15. ^ Морли Дж. Ф., Бригнулл Х. Р., Вейерс Дж. Дж., Моримото Р. И. (август 2002 г.). «Порог агрегации белков, расширяющих полиглутамин, и клеточной токсичности является динамическим и зависит от старения у Caenorhabditis elegans». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (16): 10417–10422. Бибкод : 2002PNAS...9910417M. дои : 10.1073/pnas.152161099 . ПМК 124929 . ПМИД  12122205. 
  16. ^ Кокель А.С., Джейкоб Дж.П., Примет М., Демарес А., Димикколи М., Юлу Т. и др. (Апрель 2013). «Локализация агрегации белков в Escherichia coli регулируется диффузией и эффектом нуклеоидной макромолекулярной скученности». PLOS Вычислительная биология . 9 (4): e1003038. arXiv : 1303.1904 . Бибкод : 2013PLSCB...9E3038C. дои : 10.1371/journal.pcbi.1003038 . ПМК 3636022 . ПМИД  23633942. 
  17. ^ Скотт Джей-Джей (январь 1987 г.). «Реиннервация мышечных веретен кошки скелетофузимоторными аксонами». Исследования мозга . 401 (1): 152–154. дои : 10.1016/0006-8993(87)91175-9. PMID  2949798. S2CID  42447184.
  18. ^ Герардини Л., Зайдел А., Пини Л., Крими А. (октябрь 2023 г.). «Прогнозирование распространения неправильно свернутых белков при болезни Альцгеймера с использованием моделей машинного обучения и распространения». Кора головного мозга . дои : 10.1093/cercor/bhad380 . ПМЦ 10724880 . ПМИД  37833822. 
  19. ^ Беднарска Н.Г., Шимковиц Дж., Руссо Ф., Ван Элдер Дж. (сентябрь 2013 г.). «Агрегация белков у бактерий: тонкая граница между функциональностью и токсичностью». Микробиология . 159 (Часть 9): 1795–1806. дои : 10.1099/mic.0.069575-0 . ПМИД  23894132.
  20. ^ ab Такало М, Салминен А, Сойнинен Х, Хилтунен М, Хаапасало А (08 марта 2013 г.). «Механизмы агрегации и деградации белков при нейродегенеративных заболеваниях». Американский журнал нейродегенеративных заболеваний . 2 (1): 1–14. ПМК 3601466 . ПМИД  23516262. 
  21. ^ Ван В., Цзэн Л., Цзинь В., Чен X, Шен Д., Хуан Ю. и др. (декабрь 2021 г.). «Сольватохромный флуоресцентный зонд обнаруживает неоднородность полярности при агрегации белков в клетках». Ангеванде Хеми . 60 (49): 25865–25871. дои : 10.1002/anie.202107943. PMID  34562048. S2CID  237626399.
  22. ^ Гарсия-Мата Р., Гао Ю.С., Штул Э (июнь 2002 г.). «Неприятности с выносом мусора: усугубляющие агресомы». Трафик . 3 (6): 388–396. дои : 10.1034/j.1600-0854.2002.30602.x . PMID  12010457. S2CID  305786.
  23. ^ Грегерсен Н., Болунд Л., Бросс П. (октябрь 2005 г.). «Неправильное сворачивание, агрегация и деградация белков при заболеваниях». Молекулярная биотехнология . 31 (2): 141–150. дои : 10.1385/МБ: 31: 2: 141. PMID  16170215. S2CID  36403914.
  24. ^ аб Могк А, Куммер Э, Букау Б (01 января 2015 г.). «Сотрудничество шаперонных машин Hsp70 и Hsp100 в дезагрегации белков». Границы молекулярных биологических наук . 2:22 . doi : 10.3389/fmolb.2015.00022 . ПМЦ 4436881 . ПМИД  26042222. 
  25. ^ Либерек К., Левандовска А., Зеткевич С. (январь 2008 г.). «Шапероны контролируют дезагрегацию белков». Журнал ЭМБО . 27 (2): 328–335. doi : 10.1038/sj.emboj.7601970. ПМЦ 2234349 . ПМИД  18216875. 
  26. ^ Аб Чен Б., Рецлафф М., Роос Т., Фридман Дж. (август 2011 г.). «Клеточные стратегии контроля качества белка». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 3 (8): а004374. doi : 10.1101/cshperspect.a004374. ПМК 3140689 . ПМИД  21746797. 
  27. ^ Ван В., Цзэн Л., Цзинь В., Чен X, Шен Д., Хуан Ю. и др. (декабрь 2021 г.). «Сольватохромный флуоресцентный зонд обнаруживает неоднородность полярности при агрегации белков в клетках». Ангеванде Хеми . 60 (49): 25865–25871. дои : 10.1002/anie.202107943. PMID  34562048. S2CID  237626399.
  28. ^ Чжу YJ, Лин Х, Лал Р. (июнь 2000 г.). «Свежий и нефибриллярный бета-амилоидный белок (1-40) вызывает быструю клеточную дегенерацию в старых фибробластах человека: доказательства клеточной токсичности, опосредованной AbetaP-каналом». Журнал ФАСЭБ . 14 (9): 1244–1254. дои : 10.1096/fasebj.14.9.1244. PMID  10834946. S2CID  42263619.
  29. ^ Нильсберт С., Вестлинд-Дэниелссон А., Экман CB, Кондрон М.М., Аксельман К., Форселл С. и др. (сентябрь 2001 г.). «Арктическая» мутация APP (E693G) вызывает болезнь Альцгеймера за счет усиленного образования протофибрилл Абета». Природная неврология . 4 (9): 887–893. дои : 10.1038/nn0901-887. PMID  11528419. S2CID  13516479.
  30. ^ Сото C (январь 2003 г.). «Раскрытие роли неправильного сворачивания белка при нейродегенеративных заболеваниях». Обзоры природы. Нейронаука . 4 (1): 49–60. дои : 10.1038/nrn1007. PMID  12511861. S2CID  205499427.
  31. ^ Флагмейер П., Де С., Виртенсон, округ Колумбия, Ли С.Ф., Винке С., Мюлдерманс С. и др. (июнь 2017 г.). «Сверхчувствительное измерение притока Ca2+ в липидные везикулы, индуцированного белковыми агрегатами». Ангеванде Хеми . 56 (27): 7750–7754. дои : 10.1002/anie.201700966. ПМЦ 5615231 . ПМИД  28474754. 
  32. ^ Васкес-Рей М., Ланг Д.А. (июль 2011 г.). «Агрегаты в процессах производства моноклональных антител». Биотехнология и биоинженерия . 108 (7): 1494–1508. дои : 10.1002/бит.23155. PMID  21480193. S2CID  33285577.