Механізми протеостазу та хвороби накопичення
Активна підтримка динамічної рівноваги між процесами синтезу та деградації білків — протеостаз — важлива складова загального гомеостазу для більшості клітин організму. Так званий життєвий цикл протеїнів включає їх синтез, виконання ними специфічної фізіологічної ролі з подальшою трансформацією після втрати функціональності чи відсутності потреби в них. Нині відомо декілька шляхів деградації білків, включаючи протеасомні механізми, макро-, мікро- та аутофагію, опосередковану білками-шаперонами. Механізми аутофагії пов’язані з доставкою протеїнів шляхом ендоцитозу в лізосоми — внутрішньоклітинні органели, які відрізняються вмістом кислих гідролаз та протеаз. У подальшому незалежно від типу ферментації після потрапляння в лізосоми за посередництвом ендопептидаз відбувається поступове розщеплення білків із вкороченням їх до рівня пептидів, кінцеві залишки яких у подальшому додатково розщеплюються екзопептидазами. По завершенні процесу трансформації білків протеїни — транспортери лізосомальної мембрани вивільняють у цитозоль, головним чином, окремі амінокислоти для наступного синтезу нових білків та енергосинтезу.
Таким чином, лізосоми мають вирішальне значення для підтримки внутрішньоклітинного гомеостазу та відрізняються унікальною сприйнятливістю до порушень процесів гідролізу субстрату. Наприклад, генетичні мутації, пов’язані зі зниженням ефективності лізосомальних гідролаз, є найчастішою причиною розвитку лізосомних хвороб накопичення. Захворювання зазначеного спектра пов’язані з накопиченням пошкоджених лізосомних структур у клітинах, що насамкінець призводить до загибелі клітин. Перші прояви лізосомних хвороб накопичення відзначають на ранніх етапах розвитку, зазвичай у ранньому дитинстві, часто вони супроводжуються нейродегенеративними змінами та нерідко призводять до летального кінця.
Враховуючи структурні зміни, що відбуваються з часом, та поступову втрату функціональності, можна зазначити, що тривало існуючі протеїни є основною мішенню лізосом. Яскравим прикладом є мітофагія — процес повної трансформації дисфункціональних мітохондрій. Серед процесів, що спричиняють деградацію тривало існуючих протеїнів, вирізняють безліч спонтанних хімічних модифікацій, які не контролюються ферментативними механізмами. Деякі з них, зокрема процеси ізомеризації та епімеризації, досить складно відстежити. Ізомеризація та епімеризація пептидів не мають біоаналітичних маркерів, які було б легко ідентифікувати. Водночас кожен з цих процесів модулює структуру пептидів тонким, але важливим способом.
Лізосомні дефекти як тригер патогенезу хвороби Альцгеймера
Механізми агрегації протеїнів — добре відома риса патогенезу хвороби Альцгеймера. Водночас деградація та накопичення лізосомальних залишків у нейронах фактично передує накопиченню позаклітинних амілоїдних відкладень. Зважаючи на це, розвиток хвороби Альцгеймера має багато спільного з окремими лізосомними хворобами накопичення. У новому дослідженні вчених Каліфорнійського університету в Ріверсайді (University of California, Riverside), США, отримано докази того, що ізомеризація та епімеризація — спонтанні біохімічні модифікації тривало існуючих протеїнів — перешкоджають процесам протеазного розщеплення зазначених протеїнів у лізосомах за участю катепсинів. Стаття за матеріалами дослідження опублікована у виданні «ACS Central Science» 7 серпня 2019 р.
У лабораторних умовах вчені спостерігали біохімічні процеси, що відбуваються в живих клітинах. Обговорюючи значимість проблематики роботи, автори, насамперед, окреслили головну ідею дослідження: тривало існуючі протеїни сприйнятливі до спонтанних модифікацій, що унеможливлює подальший процес їх фізіологічної деградації лізосомами та формує підґрунтя лізосомних накопичень. На думку вчених, заслуговує на увагу те, що фундаментальні зміни відбуваються в каркасі амінокислот, що еквівалентно дзеркальній зміні послідовності їх первинної структури. Це унеможливлює природний метаболізм таких дзеркальних протеїнових ізомерів ферментами, специфічних до вихідної структури білків. У подальшому за результатами роботи автори зазначили, що описані структурні модифікації можуть відбуватися в β-амілоїді і тау-протеїнах — білкових структурах, безпосередньо пов’язаних із розвитком хвороби Альцгеймера.
У ході дослідження встановлено, що ізомеризація аспарагінової кислоти перешкоджає розщепленню N-кінцевої частини β-амілоїду катепсином L — однією з найагресивніших лізосомальних протеаз. Подібні результати отримано також після дослідження різних пептидів-мішеней на прикладі впливу широкого спектра катепсинів, включаючи ендо-, аміно- та карбоксипептидази. У всіх випадках пептидні фрагменти, надто довгі для розпізнавання чи переносу транспортними протеїнами з лізосом, зберігалися після специфічного терапевтичного впливу, таким чином забезпечуючи можливе пояснення розвитку нейродегенеративного процесу за механізмом лізосомального накопичення та нівелюючи розрив між патогенезом хвороби Альцгеймера та лізосомних хвороб накопичення. Окрім того, в додаткових експериментах із клітинами мікроглії вдалось отримати докази того, що ізомеризація порушує протеоліз в активно функціонуючих лізосомах.
Висновки та коментарі
Таким чином, на основі результатів автори роботи дійшли висновку, що спонтанні біохімічні процеси неферментативного контролю здатні індукувати поступовий розвиток лізосомальної недостатності, яка, у свою чергу, може відігравати важливу роль у каскаді подій, що призведуть до порушень протеостазу, продукції амілоїду і таутопатій, безпосередньо пов’язаних із розвитком хвороби Альцгеймера.
У коментарях автори дослідження зазначили, що факт біохімічних модифікацій у тривало існуючих протеїнах був відомим давно. Однак значення цих змін у подальших процесах внутрішньоклітинної трансформації подібних білків не вивчалося. Тому пошук біоактивних речовин, які сприяли би процесам аутофагії, на думку дослідників, є перспективним кроком у напрямі нових терапевтичних стратегій для пацієнтів із хворобою Альцгеймера.
Долучайтеся до нас у Viber-спільноті, Telegram-каналі, Instagram, на сторінці Facebook, а також Twitter, щоб першими отримувати найсвіжіші та найактуальніші новини зі світу медицини.
- Lambeth T.R., Riggs D.L., Talbert L.E. et al. (2019) Spontaneous Isomerization of Long-Lived Proteins Provides a Molecular Mechanism for the Lysosomal Failure Observed in Alzheimer’s Disease. ACS Cent. Sci., Aug. 7. DOI: 10.1021/acscentsci.9b00369.
Наталія Савельєва-Кулик
