Актуальность
В настоящее время известно, что прионы представляют собой белки, способные принимать различные структурные формы с возможным распространением на другие протеины. Ранее была предложена гипотеза, согласно которой функционирование прионов связывали с развитием возрастных нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Однако в недавних исследованиях установлена физиологическая значимость прионов для нормальных клеточных процессов, включая реакции противовирусного иммунного ответа. В недавней работе, представленной в издании «Molecular Cell» 5 июля 2018 г., описаны физические основы внутриклеточного распространения поврежденных белков, или прионов.
Материалы и результаты исследования
В поиске ответа на вопрос о механизме трансформации нормального протеина в прион внимание коллектива исследователей под руководством Рэндала Хальфманна (Randal Halfmann) было сосредоточено на исходном событии нуклеации, связанном с формированием ядра. С этой целью ученые разработали новый метод клеточной флуоресценции для изучения отдельных биофизических свойств при нуклеации белков дрожжевых клеток.
В результате установлено, что отличительной характеристикой белков, служащих основой при формировании прионовых частиц, по сравнению с другими протеинами является их способность к избыточной сатурации. Р. Хальфманн отметил, что белки, не имеющие подобных свойств, начинают агрегировать при достижении достаточной внутриклеточной концентрации. Однако протеины, склонные к прионной трансформации, сохраняют свою растворимость, подвергаясь агрегации лишь в тех ситуациях, когда редкие случайные флуктуации отдельных молекул обеспечивают шаблон для этого события.
В ходе наблюдения биохимических процессов ученые установили, что прион-образующие белки во многом подобны кристаллам соли, которые в конечном итоге подвергаются спонтанной агрегации в абсолютно специфической последовательности. Однако вероятность того, что критическое число протеиновых частиц пройдет процесс агрегации в точной правильной последовательности, крайне незначительна.
Выводы и перспективы
Подчеркивая значимость проведенной работы, авторы отметили, что ранее качественным исследованиям механизмов кинетики прионов препятствовало отсутствие возможностей проведения количественного анализа. Используя вновь разработанный метод клеточной флуоресценции (Distributed Amphifluoric FRET — DAmFRET), лаборатория Р. Хальфманна стала первой в мире исследовательской группой, которой удалось успешно оценить частоту нуклеации в зависимости от концентрации протеинов внутри клеток.
В настоящее время ученые сосредоточены на изучении возможностей применения данного подхода для исследования механизмов нуклеации белков, имеющих свойства прионов и ассоциирующихся с развитием болезни Альцгеймера и других заболеваний головного мозга. Разработки коллектива лаборатории Р. Хальфманна открыты к сотрудничеству с учеными других научных центров для применения исследовательских мощностей технологии DAmFRET в доступном этому методу масштабе.
- Khan T., Kandola T.S., Wu J. et al. (2018) Quantifying nucleation in vivo reveals the physical basis of prion-like phase behavior. Mol. Cell., 71 (1): 155–168.
- Stowers Institute for Medical Research (2018) New assay reveals biophysical properties that allow certain proteins to infect others. ScienceDaily, Jul. 5.
Наталья Савельева-Кулик
