Возможно, в вашем организме уже есть молекула, помогающая бороться с болезнью Альцгеймера.

ngs могут способствовать новым способам борьбы с этими расстройствами головного мозга. Исследование опубликовано в журнале Природные коммуникации.

Поскольку люди живут дольше, возрастные расстройства, включая нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, становятся все более распространенными. Эти состояния вызваны вредными отложениями в мозге неправильно свернутых амилоидных белков. Эти белковые структуры образуют длинные тонкие волокна, напоминающие пряди спагетти. До сих пор не существует эффективного лечения, которое могло бы надежно предотвратить или очистить эти белковые отложения.

Спермин как естественный защитник клеток и животных

Природная молекула в организме под названием спермин дает новую надежду. В ходе лабораторных экспериментов группа под руководством Цзинхуэй Луо из Центра наук о жизни Института Пола Шеррера PSI показала, что спермин может продлить жизнь мелких червей-нематод, улучшить их движение по мере старения и укрепить их клеточные электростанции — митохондрии. Исследователи увидели, что спермин поддерживает иммунную систему организма в удалении повреждающих нервы отложений амилоидного белка.

Эти новые результаты могут стать основой для разработки новых терапевтических стратегий для лечения таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона.

Спермин необходим для функционирования организма. Он принадлежит к группе относительно небольших органических молекул, известных как полиамины. Спермин был впервые идентифицирован более 150 лет назад и назван в честь семенной жидкости, где он присутствует в особенно высоких концентрациях. Однако он также обнаружен во многих других типах клеток по всему организму, особенно в клетках, которые активны и способны делиться.

Регуляция генов и биомолекулярная конденсация

Спермин поддерживает движение и активность клеток и участвует во многих различных клеточных процессах. Одна из его основных ролей — взаимодействие с нуклеиновыми кислотами в геноме, помогая регулировать, какие гены включаются и как они транслируются в белки. Эта регуляция гарантирует, что клетки могут расти, делиться и, в конечном итоге, умирать контролируемым образом. Спермин также имеет решающее значение для клеточного процесса, называемого биомолекулярной конденсацией. В этом процессе крупные молекулы, такие как белки и нуклеиновые кислоты, разделяются и собираются в каплевидные области внутри клетки, создавая небольшие реакционные центры, где происходят важные биохимические реакции.

В контексте нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, более ранние исследования уже предполагали, что спермин может защищать нервные клетки и облегчать возрастные проблемы с памятью. Чего до сих пор не хватало, так это четкого представления о том, как спермин влияет на вредные процессы в нервных клетках таким образом, чтобы его можно было использовать в медицинских целях.

Помогаем клеткам очищать токсичные белковые отходы

Исследовательская группа Луо теперь изучила эти механизмы более глубоко. В дополнение к оптической микроскопии ученые использовали метод, называемый рассеянием SAXS, на швейцарском источнике света SLS компании PSI, чтобы исследовать молекулярную динамику происходящих процессов. Они изучали эти эффекты как в стеклянных капиллярах (in vitro), так и в живых организмах (in vivo). В качестве модельного организма для живой системы они использовали нематоду C. elegans.

Их эксперименты показали, что спермин заставляет вредные белки объединяться и образовывать комки посредством биомолекулярной конденсации. Такое поведение поддерживает рутинный процесс клеточной очистки, известный как аутофагия. При аутофагии поврежденные или ненужные белки заключаются в небольшие мембраносвязанные везикулы, а затем безопасно расщепляются ферментами, эффективно перерабатывая клеточные компоненты.

«Аутофагия более эффективна при обработке больших скоплений белка», — говорит руководитель исследования Луо. «А спермин является, так сказать, связующим агентом, который соединяет нити вместе. Между молекулами существуют лишь слабые электрические силы притяжения, которые организуют их, но не связывают прочно вместе».

Весь процесс, объясняет Луо, можно представить как тарелку спагетти. «Спермин похож на сыр, который соединяет длинную тонкую лапшу, не склеивая ее, что облегчает ее переваривание».

От кухонной метафоры к терапии будущего

Спермин также, по-видимому, играет роль в развитии других заболеваний, включая рак. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять основные механизмы этих состояний, после чего лечение на основе спермина может стать реалистичным вариантом. Помимо спермина, многие другие полиамины также выполняют важные задачи в организме и поэтому представляют медицинский интерес. Это делает эту область весьма перспективной для будущих исследований. «Если мы лучше поймем основные процессы, — говорит Луо, — мы сможем готовить, так сказать, более вкусные и удобоваримые блюда, потому что тогда мы будем точно знать, какие специи и в каких количествах делают соус особенно вкусным».

Искусственный интеллект и передовые методы визуализации ускоряют исследования спермина

В этом поиске также используется искусственный интеллект, поскольку он может гораздо быстрее просчитывать перспективные комбинации «ингредиентов для соуса» на основе всех имеющихся данных. Луо также отмечает, что измерения рассеяния с временным разрешением и визуализация с высоким разрешением, которые могут фиксировать эти процессы в реальном времени вплоть до субклеточного уровня, имеют решающее значение для этой работы и для будущих исследований. Помимо PSI, такие передовые методы доступны лишь на нескольких других синхротронных предприятиях по всему миру.

Исследователи из Института Пола Шеррера PSI выяснили, как спермин — небольшая молекула, которая регулирует многие процессы в клетках организма — может защитить от таких заболеваний, как болезни Альцгеймера и Паркинсона: он делает определенные белки безвредными, действуя немного как сыр на лапше, заставляя их слипаться. Это открытие может помочь в борьбе с такими заболеваниями. Исследование теперь опубликовано в журнале Природные коммуникации.

Продолжительность нашей жизни продолжает расти, и вместе с этим все более распространенными становятся возрастные заболевания, в том числе нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. Эти заболевания вызваны скоплением в мозге вредных белковых структур, состоящих из неправильно свернутых амилоидных белков. Их форма напоминает волокна или спагетти. На сегодняшний день не существует эффективной терапии, позволяющей предотвратить или устранить такие скопления.

Однако встречающаяся в организме естественная молекула под названием спермин вселяет надежду. В ходе экспериментов исследователи под руководством руководителя исследования Цзинхуэй Ло из Центра наук о жизни Института Пола Шеррера PSI обнаружили, что это вещество способно продлевать продолжительность жизни мелких червей-нематод, улучшать их подвижность в пожилом возрасте и укреплять электростанции их клеток — митохондрии. В частности, исследователи наблюдали, как спермин помогает иммунной системе организма устранять повреждающие нервы скопления амилоидных белков.

Новые результаты могут послужить основой для разработки новых методов лечения таких заболеваний.

Центральный медиатор клеточных процессов

Спермин – жизненно важное вещество для организма. Он принадлежит к так называемым полиаминам, которые представляют собой относительно небольшие органические молекулы. Спермин, впервые обнаруженный более 150 лет назад, назван в честь семенной жидкости, поскольку там он содержится в особенно высоких концентрациях. Но это происходит и во многих других клетках организма – особенно в тех, которые активны и способны делиться.

Спермин способствует подвижности и активности клеток и контролирует многочисленные процессы. Прежде всего, он взаимодействует с нуклеиновыми кислотами генома, регулируя экспрессию генов и их превращение в белки. Это гарантирует, что клетки смогут правильно расти, делиться и в конечном итоге погибать. Спермин также играет центральную роль в важном клеточном процессе, называемом биомолекулярной конденсацией: в этом процессе определенные макромолекулы, такие как белки и нуклеиновые кислоты, разделяются и собираются внутри клетки в форме капель, так что там могут происходить важные реакции.

В связи с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера или Паркинсона, ранее были доказательства того, что спермин может защищать нервные клетки и облегчать возрастную потерю памяти. Однако до сих пор не было более точного понимания того, как спермин вмешивается в процессы, повреждающие нервы, – понимания, которое могло бы позволить извлечь из него медицинскую пользу.

Помощь в удалении клеточных отходов

Группа Цзинхуэй Ло теперь исследовала это более подробно. В дополнение к оптической микроскопии исследователи также использовали метод рассеяния SAXS в швейцарском источнике света SLS компании PSI, чтобы пролить свет на молекулярную динамику этих процессов. Исследования проводились как в стеклянном капилляре (in vitro) и в живом организме (живой). Модельным организмом служила нематода C. elegans.

Было показано, что спермин заставляет вредные белки собираться и, в некотором смысле, слипаться вместе посредством биомолекулярной конденсации. Это облегчает процесс, называемый аутофагией, который регулярно происходит в наших клетках: поврежденные или ненужные белки заворачиваются в маленькие мембранные пузырьки и безопасно разлагаются ферментами — по сути, это естественный процесс переработки.

«Аутофагия более эффективна при обработке больших скоплений белка», — говорит руководитель исследования Луо. «А спермин является, так сказать, связующим агентом, который соединяет нити вместе. Между молекулами существуют лишь слабые электрические силы притяжения, которые организуют их, но не связывают прочно вместе».

Все это, по словам Луо, можно представить как тарелку спагетти. «Спермин похож на сыр, который соединяет длинную тонкую лапшу, не склеивая ее, что облегчает ее переваривание».

Требуется: правильное сочетание ингредиентов

Спермин также оказывает влияние на другие заболевания, в том числе, например, на рак. Здесь также необходимы исследования для выяснения действующих механизмов – тогда будут возможны терапевтические подходы на основе спермина. Помимо спермина, существует множество других полиаминов, которые выполняют важные функции в организме и поэтому представляют интерес с медицинской точки зрения. Поэтому исследования в этой области имеют большой потенциал. «Если мы лучше поймем основные процессы, — говорит Луо, — мы сможем готовить, так сказать, более вкусные и удобоваримые блюда, потому что тогда мы будем точно знать, какие специи и в каких количествах делают соус особенно вкусным».

В этом поиске также используется искусственный интеллект, поскольку он может гораздо быстрее просчитывать перспективные комбинации «ингредиентов для соуса» на основе всех имеющихся данных. Луо также отмечает, что методы измерения рассеяния с временным разрешением и визуализация с высоким разрешением, которые могут отображать такие процессы в реальном времени и вплоть до субклеточного уровня, также важны для этого и последующих исследований. Помимо PSI, подобные методы имеются лишь на нескольких других синхротронных установках в мире.