Исследователи использовали вычислительные модели, чтобы понять, что движет накоплением белка альфа-синуклеина, ключевого виновника развития болезни Паркинсона.
Исследование, опубликованное сегодня в виде рецензируемого препринта в электронная жизнь, описывается редакторами как обеспечивающий важную биофизическую информацию о молекулярном механизме, лежащем в основе ассоциации цепей альфа-синуклеина, что важно для понимания развития болезни Паркинсона. Анализ данных надежен, и эта методология может помочь исследовать другие молекулярные процессы, в которых участвуют внутренне неупорядоченные белки (IDP).
ВПЛ играют важную роль в организме человека. Этим белкам не хватает четко определенной трехмерной структуры, которая позволяет им функционировать гибко, принимая разные роли по мере необходимости. Однако это также делает их восприимчивыми к необратимой агрегации, особенно в случае мутации. Известно, что эти агрегаты связаны с различными заболеваниями, такими как нейродегенеративные заболевания, рак, диабет и болезни сердца. Например, болезнь Альцгеймера характеризуется агрегацией белка бета-амилоида, тогда как болезнь Паркинсона связана с накоплением альфа-синуклеина.
«Все больше данных устанавливает связь между внутренне неупорядоченными белками и фазовым разделением жидкость-жидкость, или LLPS, феноменом, который вы наблюдаете, если смешиваете масло и воду», — говорит ведущий автор Абдул Васим, аспирант Института Тата. Фундаментальные исследования, Хайдарабад, Индия. «Это представляет интерес, поскольку известно, что LLPS сам по себе образует субклеточные компартменты, которые могут привести к неизлечимым заболеваниям».
Известно, что альфа-синуклеин может подвергаться LLPS и что на агрегацию альфа-синуклеина влияет скученность близлежащих молекул и окружающий pH. Но охарактеризовать точные взаимодействия и динамику этих крошечных агрегатных белков непросто.
«Предыдущие попытки моделировали отдельных ВПЛ, но такое моделирование может занять чрезвычайно много времени и ресурсов, что делает изучение агрегации белков непрактичным даже при наличии новейшего программного и аппаратного обеспечения», — объясняет старший автор Джаганнатх Мондал, доцент Tata. Институт фундаментальных исследований. «Мы использовали крупномасштабное молекулярно-динамическое моделирование, которое, хотя и предлагало более низкое разрешение, позволило нам изучить агрегацию нескольких IDP в смеси».
Используя эту модель, авторы смоделировали коллективное взаимодействие многих цепей альфа-синуклеина внутри капель в различных условиях. Во-первых, изучая белковые цепи, смешанные только с водой, они обнаружили, что около 60% белковых цепей остаются свободными и не проявляют сильной и спонтанной тенденции к агрегации.
Затем они добавили некоторые «толпящие» молекулы — большие биологические молекулы, которые делают окружающую среду очень перенаселенным пространством для белков. Предыдущие исследования болезни Альцгеймера показали повышенную агрегацию белков в густонаселенной среде. Как и ожидалось, добавление краудеров привело к усилению агрегации альфа-синуклеина и снижению количества свободных белков.
Аналогичным образом команда обнаружила, что изменение ионной среды путем добавления соли также способствует агрегации. Однако дальнейшее исследование показало, что эти два фактора окружающей среды — скученность и соль — вызывают агрегацию по разным механизмам. Добавление соли в смесь увеличивало поверхностное натяжение капель, но добавление краудерных молекул не оказывало влияния на поверхностное натяжение. Это важно знать, поскольку чем больше поверхностное натяжение, тем выше склонность белков к агрегации. Более того, слияние капель для уменьшения поверхностного натяжения часто наблюдается в каплях с разделением фаз жидкость-жидкость (LLPS), характерных для заболеваний, связанных с неупорядоченными белками.
Характерной чертой LLPS является то, что белковые молекулы внутри капель принимают вытянутую форму и ориентируются в одном направлении. Итак, команда затем решила проверить, правда ли это в их симуляциях. Они обнаружили, что белки в плотной (высококонцентрированной) фазе разделения жидкость-жидкость действительно имели вытянутую форму, независимо от того, присутствовали ли краудерные молекулы или соль – все молекулы белка имели одинаковую ориентацию – что позволяет предположить, что IDP альфа-синуклеина проявляют Отличительные черты феномена LLPS.
Затем команда хотела выяснить, как различные белки альфа-синуклеина взаимодействуют друг с другом для достижения этих эффектов. Изучая положение и особенности различных аминокислот в белке, они могли бы определить вероятность их контакта в разных условиях. Это показало, что определенные аминокислоты в белке, вероятно, существуют для предотвращения агрегации, и что белки ориентируются так, чтобы минимизировать взаимодействия между этими остатками.
Редакторы отмечают, что исследование имеет ограничения. А именно, они говорят, что сравнение результатов моделирования с другими методами можно улучшить, чтобы дать читателю большую уверенность в представленных выводах.
«В совокупности эти результаты позволяют предположить, что и краудерные молекулы, и соль усиливают агрегацию альфа-синуклеина, а также стабилизируют образующиеся агрегаты», — говорит Васим. «Независимо от факторов, вызывающих агрегацию, взаимодействия, которые приводят к образованию капель, остаются прежними».
«Наше исследование было сосредоточено на нормальном альфа-синуклеине и выявило ключевые участки внутри белка, которые имеют решающее значение для агрегации», — заключает Мондал. «Считается, что наследственные мутации альфа-синуклеина значительно увеличивают вероятность агрегации. Эти мутации, включающие незначительные изменения в последовательности белка, подчеркивают важность понимания молекулярной основы этого процесса».
2024-04-03 01:57:06
1712109883
#Моделирование #раскрывает #механизм #накопления #белка #при #болезни #Паркинсона
