Агрегация белков

Неправильно свернутые белки могут образовывать белковые агрегаты или амилоидные фибриллы, разрушаться или возвращаться к своей естественной структуре.

Агрегация белков представляет собой биологический феномен, при котором внутренне неупорядоченные белки или неправильно свернутые белки агрегируются (т.е. накапливаются и слипаются) внутри- или внеклеточно. Неправильно свернутые белковые агрегаты часто коррелируют с заболеваниями. Фактически, белковые агрегаты участвуют в большом количестве заболеваний, известных как амилоидозы, включая ALS, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и прионная болезнь.

После синтеза белки обычно складываются в конкретную трехмерную конформацию, которая является наиболее термодинамически благоприятной: их нативное состояние. Этот процесс сворачивания обусловлен гидрофобным эффектом : склонностью гидрофобных (водобоязненных) частей белка защищаться от гидрофильной (водолюбивой) среды клетки, погружаясь во внутреннюю часть клетки. белок. Таким образом, внешняя часть белка обычно гидрофильна, тогда как внутренняя часть обычно гидрофобна.

Белковые структуры стабилизируются нековалентными взаимодействиями и дисульфидными связями между двумя остатками цистеина. Нековалентные взаимодействия включают ионные взаимодействия и слабые ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Ионные взаимодействия образуются между анионом и катионом и образуют солевые мостики, которые помогают стабилизировать белок. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия включают неполярные взаимодействия (т.е. лондонская дисперсионная сила ) и полярные взаимодействия (т.е. водородные связи, диполь-дипольные связи ). Они играют важную роль во вторичной структуре белка, такой как формирование альфа-спирали или бета-листа, и третичной структуре. 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 неправильной укладке или разворачиванию. В этих случаях, если клетка не способствует повторной сворачиванию белка или не разрушает развернутый белок, развернутый / неправильно свернутый белок может агрегироваться, в результате чего открытые гидрофобные части белка могут взаимодействовать с открытыми гидрофобными участками других белков.. Существует три основных типа белковых агрегатов, которые могут образовываться: аморфные агрегаты, олигомеры и амилоидные фибриллы.

• 1 Причины
  • 1.1 Мутации
  • 1.2 Проблемы с синтезом белка
  • 1.3 Экологические стрессы
  • 1.4 Старение
• 2 Локализация агрегатов
  • 2.1 Бактерии
  • 2.2 Дрожжи
  • 2.3 Клетки млекопитающих
• 3 Элиминация
  • 3.1 Рефолдинг
  • 3.2 Разложение
• 4 Токсичность
• 5 См. Также
• 6 Ссылки

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

Мутации

Мутации, которые происходят в последовательности ДНК, могут влиять или не влиять на аминокислотную последовательность белка. Когда последовательность затронута, другая аминокислота может изменить взаимодействия между боковыми цепями, которые влияют на укладку белка. Это может привести к появлению открытых гидрофобных областей белка, которые агрегируются с тем же неправильно свернутым / развернутым белком или с другим белком.

Помимо мутаций в самих затронутых белках, агрегация белков также может быть вызвана косвенно через мутации белков в регуляторных путях, таких как путь рефолдинга (молекулярные шапероны ) или Путь убиквитин-протеасома (убиквитинлигазы). Шапероны помогают в рефолдинге белка, обеспечивая безопасную среду для сворачивания белка. Убиквитин лигазирует целевые белки для деградации посредством модификации убиквитина.

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. Во время трансляции рибосомы и тРНК помогают транслировать последовательность мРНК в аминокислотную последовательность. Если на любом этапе возникают проблемы, связанные с получением неправильной цепи мРНК и / или неправильной аминокислотной последовательности, это может вызвать неправильную укладку белка, что приведет к агрегации белка.

Экологические стрессы

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

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

Окислительный стресс может быть вызван такими радикалами, как активные формы кислорода (ROS). Эти нестабильные радикалы могут атаковать аминокислотные остатки, приводя к окислению боковых цепей (например, ароматических боковых цепей, метионин боковых цепей) и / или разрыву полипептидных связей. Это может повлиять на нековалентные взаимодействия, которые правильно удерживают белок вместе, что может вызвать дестабилизацию белка и может вызвать его разворачивание.

Старение

Клетки имеют механизмы, которые могут повторно складываться или разрушаться белковые агрегаты. Однако по мере старения клетки эти механизмы контроля ослабевают, и клетка становится менее способной разделять агрегаты.

Гипотеза о том, что агрегация белков является причинным процессом старения, теперь проверена, поскольку некоторые модели замедленного старения находятся в стадии разработки. рука. Если развитие белковых агрегатов было процессом, не зависящим от старения, замедление старения не повлияет на скорость протеотоксичности с течением времени. Однако если старение связано со снижением активности защитных механизмов против протеотоксичности, модели медленного старения покажут снижение агрегации и протеотоксичности. Для решения этой проблемы было проведено несколько анализов токсичности C. elegans. Эти исследования показали, что снижение активности передачи сигналов инсулина / IGF (IIS), важного пути регуляции старения, защищает от связанной с нейродегенерацией агрегации токсичных белков. Обоснованность этого подхода была проверена и подтверждена на млекопитающих, поскольку снижение активности сигнального пути IGF-1 защищает мышей с моделью болезни Альцгеймера от поведенческих и биохимических нарушений, связанных с этим заболеванием.

Несколько исследований показали, что клеточные ответы на агрегацию белков хорошо регулируются и организованы. Белковые агрегаты локализуются в определенных областях клетки, и были проведены исследования этих локализаций у прокариот (кишечная палочка) и эукариот (дрожжи, клетки млекопитающих).

Бактерии

Агрегаты в бактериях асимметрично заканчиваются на одном из полюсов клетки, «старом 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.

Дрожжи

Большинство белковых агрегатов в дрожжевых клетках подвергаются повторной укладке с помощью молекулярных шаперонов. Однако некоторые агрегаты, такие как окислительно поврежденные белки или белки, предназначенные для деградации, не могут быть повторно свернуты. Скорее, есть два отсека, в которые они могут попасть. Белковые агрегаты могут быть локализованы в юкстаноуклеарном отсеке контроля качества (JUNQ ), который находится рядом с ядерной мембраной, или в отложении нерастворимого белка (IPOD ), рядом с вакуолью в дрожжевых клетках. Белковые агрегаты локализуются в JUNQ, когда они убиквитинируются и нацелены на деградацию. Агрегированные и нерастворимые белки локализуются на IPOD в виде более постоянного отложения. Есть свидетельства того, что белки здесь могут быть удалены путем аутофагии. Эти два пути работают вместе в том смысле, что белки имеют тенденцию поступать в IPOD, когда протеасомный путь перегружается.

Клетки млекопитающих

В клетках млекопитающих эти белковые агрегаты называют «агресомами» и они образуются при заболевании клетки. Это связано с тем, что агрегаты имеют тенденцию к образованию, когда в клетке присутствуют гетерологичные белки, что может возникнуть при мутации клетки. Убиквитинлигаза E3 способна распознавать неправильно свернутые белки и убихинировать их. HDAC6 может затем связываться с убиквитином и моторным белком динеином, чтобы доставить меченые агрегаты в центр организации микротрубочек (MTOC ). Там они собираются вместе в сферу, окружающую MTOC. Они переносят шапероны и протеасомы и активируют аутофагию.

В клетке есть две основные системы контроля качества белка, которые отвечают за устранение агрегатов белка. Неправильно уложенные белки могут подвергаться повторной укладке с помощью бишапероновой системы или разрушаться системой убиквитиновых протеасом или аутофагией.

Рефолдинг

Бишапероновая система использует 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) шапероны для дезагрегации и рефолдинга белков.

Hsp70 взаимодействует с белковыми агрегатами и рекрутирует Hsp100. Hsp70 стабилизирует активированный Hsp100. Белки Hsp100 имеют ароматические петли пор, которые используются для распутывания отдельных полипептидов. Эта нитевидная активность может быть инициирована на N-конце, C-конце или в середине полипептида. Полипептид транслоцируется через Hsp100 в несколько этапов, используя АТФ на каждом этапе. Полипептид разворачивается, а затем ему дают возможность свернуться либо самостоятельно, либо с помощью белков теплового шока.

Деградация

Неправильно свернутые белки могут быть устранены через систему убиквитин-протеасома (UPS ). Он состоит из пути E1-E2-E3, который убихинирует белки, чтобы пометить их для деградации. У эукариот белки расщепляются протеасомой 26S. В клетках млекопитающих лигаза E3, карбоксиконцевой белок, взаимодействующий с Hsp70 (CHIP), нацелен на белки, связанные с Hsp70. В дрожжах лигазы E3 Doa10 и Hrd1 имеют сходные функции в отношении белков эндоплазматического ретикулума.

Неправильно свернутые белки также могут быть устранены посредством аутофагии, при которой агрегаты белка доставляются в лизосомы.

Хотя считалось, что зрелые белковые агрегаты токсичны, недавние данные свидетельствуют о том, что на самом деле наиболее токсичными являются незрелые белковые агрегаты. Гидрофобные участки этих агрегатов могут взаимодействовать с другими компонентами клетки и повреждать их. Гипотезы состоят в том, что токсичность белковых агрегатов связана с механизмами секвестрации клеточных компонентов, генерации активных форм кислорода и связывания со специфическими рецепторами в мембране или через разрушение мембран. Количественный анализ был использован для определения того, что частицы с более высокой молекулярной массой ответственны за проникновение через мембрану. Известно, что белковые агрегаты in vitro могут дестабилизировать искусственные бислои фосфолипидов, приводя к пермеабилизации мембраны.

• Амилоид
• Протеопатия
• Амилоидоз
• JUNQ и IPOD

1. ^Aguzzi, A.; О'Коннор, Т. (март 2010 г.). «Заболевания агрегации белков: патогенность и терапевтические перспективы». Nature Reviews Drug Discovery. 9(3): 237–48. doi : 10.1038 / nrd3050. PMID 20190788. S2CID 5756683.
2. ^Stefani, M.; Добсон, СМ. (Ноябрь 2003 г.). «Агрегация белков и совокупная токсичность: новое понимание сворачивания белков, болезней неправильной укладки и биологической эволюции». J Mol Med (Berl). 81(11): 678–99. doi : 10.1007 / s00109-003-0464-5. PMID 12942175. S2CID 23544974.
3. ^De Felice, FG.; Виейра, Миннесота; Meirelles, MN.; Морозова-Рош, Л.А..; Добсон, СМ.; Феррейра, ST. (Июль 2004 г.). «Формирование амилоидных агрегатов из лизоцима человека и его вариантов, связанных с заболеванием, с использованием гидростатического давления». FASEB J. 18 (10): 1099–101. doi : 10.1096 / fj.03-1072fje. PMID 15155566. S2CID 13647147.
4. ^Tanzi, RE.; Бертрам, Л. (февраль 2005 г.). «Двадцать лет гипотезы амилоида болезни Альцгеймера: генетическая перспектива». Ячейка. 120 (4): 545–55. doi : 10.1016 / j.cell.2005.02.008. PMID 15734686. S2CID 206559875.
5. ^Брюнинг, Ансгар; Юкшток, Юлия (01.01.2015). «Неправильно свернутые белки: от маленьких злодеев до маленьких помощников в борьбе с раком». Границы онкологии. 5 : 47. doi : 10.3389 / fonc.2015.00047. PMC 4338749. PMID 25759792.
6. ^Gething, MJ.; Самбрук, Дж. (Январь 1992 г.). «Сворачивание белков в клетке». Природа. 355 (6355): 33–45. Bibcode : 1992Natur.355... 33G. doi : 10.1038 / 355033a0. PMID 1731198. S2CID 4330003.
7. ^Робертс, CJ. (Декабрь 2007 г.). «Кинетика агрегации ненативных белков». Biotechnol Bioeng. 98 (5): 927–38. doi : 10.1002 / бит. 21627. PMID 17705294. S2CID 21787377.
8. ^Cox, David L.; Нельсон, Майкл М. (2013). Принципы биохимии Ленингера. Нью-Йорк: W.H. Фримен. п. 143. ISBN 978-1-4292-3414-6.
9. ^Берке, Сара Дж. Полсон, Генри Л. (2003-06-01). «Агрегация белков и путь убиквитина протеасомы: получение UPPer руки на нейродегенерации». Текущее мнение в области генетики и развития. 13 (3): 253–261. DOI : 10.1016 / S0959-437X (03) 00053-4. PMID 12787787.
10. ^ Уивер, Роберт Ф. (2012). Молекулярная биология. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. С. 122–156, 523–600. ISBN 978-0-07-352532-7.
11. ^ Тайдмерс, Йенс; Могк, Аксель; Букау, Бернд (ноябрь 2010 г.). «Клеточные стратегии для контроля агрегации белков». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология. 11 (11): 777–788. doi : 10.1038 / nrm2993. PMID 20944667. S2CID 22449895.
12. ^Stadtman, E.R.; Левин, Р. Л. (29 июля 2003 г.). «Свободнорадикальное окисление свободных аминокислот и аминокислотных остатков в белках». Аминокислоты. 25 (3–4): 207–218. doi : 10.1007 / s00726-003-0011-2. ISSN 0939-4451. PMID 14661084. S2CID 26844881.
13. ^Морли Дж. Ф., Бриннул Х. Р., Вейерс Дж. Дж., Моримото Р. И. (2002). «Порог агрегации полиглутаминового белка и клеточной токсичности является динамическим и зависит от старения у Caenorhabditiselegans». PNAS. 99 (16): 10417–10422. Bibcode : 2002PNAS... 9910417M. doi : 10.1073 / pnas.152161099. PMC 124929. PMID 12122205.
14. ^Беднарская Наталья Г.; Шимковиц, Йост; Руссо, Фредерик; Ван Элдере, Йохан (01.01.2013). «Белковая агрегация в бактериях: тонкая граница между функциональностью и токсичностью». Микробиология. 159 (9): 1795–1806. doi : 10.1099 / mic.0.069575-0. PMID 23894132.
15. ^ Такало, Мари; Салминен, Антеро; Сойнинен, Хилкка; Хилтунен, Микко; Хаапасало, Аннакайса (08 марта 2013). «Механизмы агрегации и деградации белков при нейродегенеративных заболеваниях». Американский журнал нейродегенеративных заболеваний. 2 (1): 1–14. ISSN 2165-591X. PMC 3601466. PMID 23516262.
16. ^Гарсия-Мата, Рафаэль; Гао, Я-Шэн; Штуль, Элизабет (2002-06-01). «Проблемы с вывозом мусора: усугубляющие агресомы». Движение. 3 (6): 388–396. doi : 10.1034 / j.1600-0854.2002.30602.x. ISSN 1600-0854. PMID 12010457. S2CID 305786.
17. ^Грегерсен, Нильс; Болунд, Ларс; Бросс, Питер (01.10.2005). «Неправильная упаковка, агрегация и деградация белков при болезни». Молекулярная биотехнология. 31 (2): 141–150. doi : 10.1385 / MB: 31: 2: 141. ISSN 1073-6085. PMID 16170215. S2CID 36403914.
18. ^ Могк, Аксель; Куммер, Ева; Букау, Бернд (01.01.2015). «Сотрудничество шаперонных машин Hsp70 и Hsp100 в дезагрегации белков». Границы молекулярных биологических наук. 2 : 22. doi : 10.3389 / fmolb.2015.00022. ISSN 2296-889X. PMC 4436881. PMID 26042222.
19. ^Либерек, Кшиштоф; Левандовска, Агнешка; Зенткевич, Шимон (23 января 2008 г.). «Шапероны для контроля дезагрегации белков». Журнал EMBO. 27 (2): 328–335. doi : 10.1038 / sj.emboj.7601970. ISSN 0261-4189. PMC 2234349. PMID 18216875.
20. ^ Чен, Брайан; Рецлафф, Марко; Роос, Томас; Фридман, Джудит (01.08.2011). «Клеточные стратегии контроля качества белка». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 3 (8): a004374. doi : 10.1101 / cshperspect.a004374. ISSN 1943-0264. PMC 3140689. PMID 21746797.
21. ^Zhu, YJ.; Lin, H.; 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». FASEB J. 14 (9): 1244–54. doi : 10.1096 / fasebj.14.9.1244. PMID 10834946. S2CID 42263619.
22. ^Nilsberth, C.; Westlind-Danielsson, A.; Eckman, CB.; Кондрон, ММ.; Аксельман, К.; Forsell, C.; Stenh, C.; Luthman, J.; Теплов, ДБ.; и другие. (Сентябрь 2001 г.). «Мутация APP« Арктика »(E693G) вызывает болезнь Альцгеймера за счет усиленного образования протофибрилл Abeta». Nat Neurosci. 4 (9): 887–93. doi : 10.1038 / nn0901-887. PMID 11528419. S2CID 13516479.
23. ^Сото C (2003). «Раскрытие роли неправильного свертывания белков в нейродегенеративных заболеваниях». Nat. Rev. Neurosci. 4 (1): 49–60. doi : 10.1038 / номер 1007. PMID 12511861. S2CID 205499427.
24. ^Flagmeier P, De S, Wirthensohn DC, Lee SF, Vincke C, Muyldermans S, Knowles TPJ, Gandhi S, Dobson CM, Klenerman D (2017). «Сверхчувствительное измерение притока Са2 + в липидные везикулы, вызванного белковыми агрегатами». Энгью. Chem. Int. Эд. Англ. 56 (27): 7750–7754. doi : 10.1002 / anie.201700966. PMC 5615231. PMID 28474754.