Starzejące się mózgi osób z chorobą Alzheimera, Parkinsona i innymi chorobami neurodegeneracyjnymi są wypełnione charakterystycznymi agregatami białek w lub wokół ich neuronów. W jaki sposób te grudki białek mogą uszkadzać neurony, często wciąż nie jest jasne, ale są one cechami charakterystycznymi tych stanów – i do tej pory były kojarzone prawie wyłącznie z mózgami w podeszłym wieku.

Ale a Ostatnie badania przez zespół naukowców ze Stanford University sugeruje, że agregacja białek może być zjawiskiem uniwersalnym w starzejących się komórkach i może brać udział w wielu innych chorobach związanych ze starzeniem się, niż przypuszczano. Ich odkrycie wskazuje na nowy sposób myślenia o tym, co dzieje się źle w komórkach w miarę ich starzenia, i potencjalnie na nowe sposoby powstrzymania niektórych konsekwencji procesu starzenia.

„To jest szeroko rozpowszechnione — to nie tylko jedna konkretna tkanka, to wiele różnych tkanek” — powiedział Della Dawid, naukowiec zajmujący się starzeniem się w Babraham Institute w Cambridge w Anglii, który nie był częścią badania.

Badania podkreślają również, że agregacja białek jest ściśle powiązana z podstawowymi mechanizmami, które pozwalają komórkom regulować swoją fizjologię z wyjątkową delikatnością. Biolodzy będą musieli dokładnie ocenić, być może na podstawie każdego przypadku, czy agregaty białkowe stanowią zagrożenie dla komórek, czy też obronę, którą stworzyły.

Nowa praca, opublikowana na serwerze preprintów biorxiv.org w marcu, jest pierwszą próbą ilościowego określenia, jak dużo agregacji białek zachodzi w organizmie podczas naturalnego starzenia się kręgowca — w tym przypadku bardzo krótko żyjącej ryby. . Badanie wykazało, że agregacja białek prawdopodobnie przyczynia się do stopniowego niszczenia wielu tkanek w czasie. Odkrycia dają nawet wskazówkę, dlaczego te agregaty są o wiele bardziej widoczne w mózgu niż w innych tkankach: Być może dlatego, że mózgi ewoluują tak szybko.

Dan Jarosz, biolog systemowy ze Stanford, który nadzorował eksperymenty ze swoim kolegą genetykiem Anna Brunet, nie była przygotowana na to, ile białek jest zagregowanych w starzejących się rybach — ani na to, jak często te same białka w zmutowanych formach są powiązane z chorobami zwyrodnieniowymi. „To sprawiło, że zacząłem się zastanawiać, czy wiele innych chorób wieku, których obecnie nie łączymy z agregacją białek, może w rzeczywistości być z nią związane” – powiedział.

Wskazówki z ryby

Afrykański turkusowy morszczyn żyje w przejściowych stawach w Afryce Wschodniej, które tworzą się podczas pory deszczowej. Gdy ryba zbliża się do końca swojego 4- do 6-miesięcznego życia, rozwija się u niej szereg chorób związanych z wiekiem, w tym zaćmy i zmian związanych z mózgiem, które przypominają zaburzenia neurodegeneracyjne, takie jak choroba Alzheimera u ludzi. Jego krótki okres życia — znacznie krótszy niż na przykład myszy laboratoryjnej — i szybkie naturalne starzenie się sprawiają, że jest idealnym modelem do badania starzenia się kręgowców.

„Uderzające w tej rybie jest to, że nie chodzi tylko o agregację białek, niewydolność serca lub dysfunkcję mózgu, które pojawiają się wraz z wiekiem” – powiedział. Dario Valenzano, biolog ewolucyjny w Instytucie Biologii Starzenia im. Maxa Plancka i Instytucie Leibniza ds. Starzenia się w Niemczech, który odbył staż podoktorski u Bruneta. „Prawie każdy organ i tkanka, na które patrzymy, przejdą dość katastrofalną transformację podczas starzenia”.

Zespół ze Stanford przeprowadził szeroko zakrojoną analizę białek u mniszek na różnych etapach młodości i dojrzałości. U starzejących się ryb zabójców odkryli agregaty białkowe we wszystkich tkankach, które badali: nie tylko w mózgu, ale także w sercu, jelitach, wątrobie, mięśniach, skórze i jądrach. Ponad połowa agregujących białek wydawała się wykazywać wewnętrzną tendencję do agregacji w dalszych eksperymentach.

Ale dokładnie, które białka uległy agregacji, różniły się znacznie w zależności od tkanki. Wiele białek ulegało ekspresji na zasadniczo równoważnych poziomach w wielu tkankach, ale chociaż agregowały w jednej, w innych nie zbijały się wcale.

„Zakres specyficzności tkankowej agregującego proteomu jest niesamowity” – powiedział David. Zdaniem autorki i innych badaczy, przyczyny tych różnic odzwierciedlają sposób, w jaki komórki utrzymują jakość swoich białek. Komórki mają skomplikowaną maszynerię, która zapewnia, że ​​długie, przypominające łańcuch cząsteczki peptydów, z których składają się białka, są odpowiednio sfałdowane, a nawet zapewniają, że peptydy zostaną ostatecznie pocięte do recyklingu. Ale tkanki mogą różnić się pod względem tego, jak bardzo polegają na różnych aspektach procesu kontroli jakości białek, a te akcenty mogą się zmieniać wraz z wiekiem, powiedział Jarosz.

„To naprawdę ważne, ponieważ ogromną tajemnicą w biologii człowieka jest to, dlaczego te choroby neurodegeneracyjne są tak specyficzne dla tkanek” – powiedział. Cyntia Kenyon, wiceprezes ds. badań nad starzeniem się w firmie biotechnologicznej Calico Life Sciences, która nie była zaangażowana w publikację na Stanford. Nikt tak naprawdę nie wie, na przykład, dlaczego blaszki białkowe amyloidu choroby Alzheimera tworzą się w hipokampie mózgu, a agregaty w chorobie Parkinsona są specyficzne dla neuronów dopaminowych. Możliwość, że różne komórki zachowują swoją jakość białka w różny sposób „przynajmniej dostarcza możliwego wyjaśnienia, dlaczego różne tkanki powinny zachowywać się tak różnie” – powiedziała.

Znaczenie kontroli jakości

Badania nad robakami i muchami dostarczają dobrych dowodów na to, że jeśli mechanizm, który utrzymuje stabilność białek, zostanie zakłócony, zwierzęta starzeją się szybciej. Jeśli ścieżki kontroli jakości białka są wzmocnione genetycznie, zwierzęta mają tendencję do dłuższego życia. Nic z tego nie oznacza, że ​​agregacja białek powoduje starzenie się, ale silnie sugeruje, że są one ściśle skorelowane.

Aby dokładniej zbadać związek między agregacją białek a starzeniem się, badacze ze Stanford przyjrzeli się bliżej białkom zmutowanej odmiany mniszek, która starzeje się niezwykle szybko. Ryby te mają w swoim genie mutację enzymu telomerazy, która zachowuje długość dzielących się chromosomów; zwierzęta z mutacjami telomerazy zazwyczaj szybko się starzeją.

Jarosz powiedział, że on i jego koledzy spodziewali się odkryć, że w jelicie i innych tkankach, które szybko rosły lub się zastępowały, będzie mniej agregatów: dodatkowe podziały komórek dałyby szybko rosnącym tkankom więcej możliwości usunięcia agregatów i zresetowania się. Ale było odwrotnie: szybko rosnące tkanki miały więcej nieprawidłowo sfałdowanych i zagregowanych białek i starzały się szybciej niż tkanki, które rosły powoli.

Po raz kolejny wyjaśnieniem mogą być problemy z kontrolą komórki nad jakością jej białek. Jeśli komórki stracą kontrolę nad procesami, które utrzymują jakość ich białek, z każdym podziałem komórki może narosnąć więcej uszkodzeń z agregatów. Tkanki, które szybko rosną, mogą się szybciej starzeć, ponieważ mają większe szanse na akumulację tej szkody.

Kondensacja, agregacja i priony

Dlaczego białka czasami ulegają agregacji, jest skomplikowane. Co zaskakujące, część odpowiedzi okazuje się być głęboko powiązana z podstawowym mechanizmem zwanym kondensacją, którego komórki używają do kontrolowania swoich białek.

Złożone kształty trójwymiarowe, w które składają się peptydy, były historycznie postrzegane jako dyktujące aktywność i funkcje białek, które się z nich składały. Ale w ciągu ostatniej dekady odkryto, że rosnąca lista białek ma „wewnętrznie nieuporządkowany” region, który nie fałduje się w stabilny kształt. W odpowiednich warunkach mnóstwo tych białek gromadzi się w kropelki lub kondensaty – jest to odwracalny proces podobny do „separacji faz”, w którym olej tworzy kropelki w wodzie. Może zwiększać aktywność enzymów poprzez koncentrację enzymów wraz z ich substratami lub tłumić aktywność poprzez sekwestrację enzymów z ich substratów. Zmieniając lokalną koncentrację substratów i enzymów w sobie, komórki mogą wykorzystywać kondensaty do precyzyjnego dostrajania swojej aktywności białkowej.

Ale nieuporządkowane regiony białek mogą również powodować ich trwalsze sklejanie się w postaci agregatów, sklejając komórki i siejąc spustoszenie. Co gorsza, niektóre wadliwe białka nie tylko źle się fałdują i agregują, ale także powodują nieprawidłowe fałdowanie innych białek tego samego typu, co prowadzi do łańcuchowej reakcji agregacji. Jest to koncepcyjnie podobne do tego, co dzieje się w „chorobie szalonych krów” i wariancie zespołu Creutzfeldta-Jakoba, w którym nieprawidłowo zwinięte białka zwane prionami katalizują falę nieprawidłowej agregacji białek w mózgu.

Kondensacja jest zatem mechanizmem kontrolnym, który wiąże się z ryzykiem. Ale w kategoriach ewolucyjnych jego zalety są najwyraźniej tak znaczne, że koszt — podatność na wiele chorób związanych ze starzeniem się — wydaje się być warty poniesienia, powiedział Jarosz.

Wyraźna ilustracja tego pojawiła się w drugim przeddruku opublikowanym w marcu, w którym zespół Stanforda zamieszkały w na białku zwanym DDX5, które gromadzi się w starzejących się mózgach ryb. DDX5, który jest najbardziej aktywny w stanie skondensowanym, pełni wiele ważnych funkcji w organizmie, często pomagając zapewnić prawidłowe wytwarzanie innych białek. Na podstawie sekwencji aminokwasowej naukowcy przewidzieli, że DDX5 prawdopodobnie będzie zachowywać się jak prion, a ich późniejsze prace potwierdziły, że tak się dzieje: jedno nieprawidłowo sfałdowane białko DDX5 promuje nieprawidłowe sfałdowanie i agregację innych cząsteczek DDX5.

Ale agregacja na tym się nie kończy: naukowcy ze Stanford znaleźli również wiele innych białek w grudkach DDX5. Agregaty mogą czasami działać jak „lepkie krople”, które zatrzymują inne białka, bezkrytycznie zakłócając funkcje komórkowe, wyjaśniono Jan Labbadia, którego laboratorium w University College London zajmuje się kontrolą jakości białek i starzeniem się.

„Sugeruje to, że mamy te… białka, które agregują z wiekiem i które mogą faktycznie katalizować dalszą agregację białek w sposób podobny do prionów, czego wcześniej nie pokazano” – powiedział.

Zespół ze Stanford dokładnie ustalił, który region białka DDX5 umożliwia kondensację kontrolowania jego aktywności — i okazało się, że jest to ten sam region, który również sprawia, że ​​jest podatny na agregację. Kontrola nad naturalną funkcją białka i jego tendencją do agregacji są ze sobą nierozerwalnie związane. „To paragraf 22” – powiedział Labbadia.

„Jedną z fascynujących zmian w sposobie myślenia jest dla mnie to, że nieuporządkowana domena nie jest wymagana do działalności tak wąsko zdefiniowanej”, powiedział Jarosz. „Ale jeśli chodzi o to, jak ta aktywność jest naprawdę wdrażana w żywym systemie, jest to naprawdę niezwykle ważne”.

Patologiczna czy ochronna?

Dokładnie to, co powoduje tworzenie się agregatów i jak wiele problemów powodują one dla komórek, pozostaje „ogromną, fantastyczną, wielką kontrowersją w tej dziedzinie” – powiedział Kenyon. Z jednej strony agreguje sekwestrację DDX5 i inne białka, skutecznie eliminując ważne funkcje komórkowe. Ale agregaty mogą również mieć ochronny wpływ na przeżycie komórek.

Dobry przykład efektu ochronnego wyłoniły się z badań białka huntingtyny, które występuje najobficiej w mózgu. Huntingtyna jest niezbędna dla zdrowego rozwoju układu nerwowego, ale u osób z chorobą Huntingtona mutacja powoduje, że białko huntingtyny jest nienormalnie długie. Długie białko zostaje następnie pocięte na mniejsze, toksyczne segmenty, które uszkadzają układ nerwowy.

W 2004, Steve'a Finkbeinera, naukowiec zajmujący się starzeniem się z Gladstone Institutes i Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco, badał agregację białka huntingtyny w hodowanych neuronach. Jego zespół wykazał, że chociaż wszystkie neurony, w których dochodzi do ekspresji nieprawidłowego białka huntingtyny, z czasem obumierają, neurony zawierające agregaty huntingtyny przeżył dłużej niż te, które nie.

„To był pierwszy dowód na to, że tworzenie [agregatów] było odpowiedzią na inne submikroskopowe formy nieprawidłowo sfałdowanego białka, które powodowały kłopoty” – wyjaśnił Finkbeiner w e-mailu do Quanta.

On i inni wykazali od tego czasu, że ta ochronna odpowiedź agregacyjna występuje również w innych chorobach neurodegeneracyjnych. Może to wyjaśniać powtarzające się niepowodzenia eksperymentalnych prób leczenia choroby Alzheimera poprzez celowanie w blaszki, powiedział: „Jeśli blaszki amyloidowe charakterystyczne dla choroby tworzą ochronne wiązanie wadliwego białka, rozbicie blaszek może wyrządzić więcej szkody niż pożytku.

„To trudna do zrozumienia koncepcja dla ludzi, ponieważ wydaje się intuicyjne, że rzeczy, które wyglądają nienormalnie, powinny być „złe” i patogenne” – napisał Finkbeiner. „Ale biologia jest złożona, pełna wielu pętli sprzężenia zwrotnego, dlatego ważne jest, aby ludzie nie dali się zwieść pochopnym wyciąganiu wniosków”.

Uniwersalne wyzwanie z wieloma rozwiązaniami

Wyłaniający się teraz wyraźnie obraz jest taki, że agregacja białek nie jest zjawiskiem ograniczonym do chorób neurodegeneracyjnych: jest częścią każdej komórki, która żyje wystarczająco długo, aby się zestarzeć. Wiele normalnych, ważnych dla rozwoju białek, takich jak DDX5, ma tendencję do agregacji, a radzenie sobie z tym zlepianiem jest uniwersalnym wyzwaniem, z którym musi się zmierzyć każda komórka.

Ponieważ komórki borykają się z tym problemem od bardzo dawna, zapobieganie agregacji mogło być główną siłą w ewolucji sekwencji białkowych. Ponieważ białka w obfitości mają skłonność do agregacji, a mutacje zwiększają tę tendencję, dobór naturalny przeciwko mutacjom w białkach w obfitości prawdopodobnie będzie bardzo silny. (Ten wniosek jest poparty obserwacją, że u młodych zwierząt białka w większej ilości mają tendencję do niższych wskaźników mutacji.) Zatem rzadkie białka mogą ewoluować szybciej niż białka obfite, a szybsze tempo ewolucji powinno korelować ze skłonnością do agregacji.

Brunet i Jarosz zaobserwowali, że efekt ten był najbardziej widoczny w mózgu rybki. Naukowcy spekulowali, że te agregujące białka mogły być kluczem do innowacji w narządzie. Jeśli tak, to zmiany ewolucyjne w mózgu, które uczyniły go tak ważnym narządem u kręgowców, mogły również uczynić ten narząd bardziej podatnym na choroby zwyrodnieniowe spowodowane agregacją.

Rzeczywiście, jest prawdopodobne, że każda tkanka i narząd muszą znaleźć inną równowagę lub kompromis między wykonywaniem swojej pracy a zarządzaniem agregacją białek, powiedział Jarosz. Każda tkanka ma unikalne wymagania funkcjonalne i ograniczenia, których należy przestrzegać: komórki jelitowe stale się obracają; komórki endokrynologiczne wytwarzają i wydzielają hormony; komórki odpornościowe zaczynają działać, gdy wykryją najeźdźców; mózg przetwarza informacje. Różne zadania wymagają różnych białek, co oznacza, że ​​opracowane strategie radzenia sobie z agregacją białek będą się różnić w zależności od tkanki i zwierzęcia. Ponieważ mózg kręgowców w stosunkowo niedawnej przeszłości ewoluował znacznie intensywniej i szybciej niż, powiedzmy, mięśnie, jego mechanizm kontroli jakości białek mógł jeszcze nie mieć wystarczająco dużo czasu, aby wyewoluować odpowiednią ochronę przed agregacją stosunkowo nowych białek.

Mimo to, podstawowy problem agregacji białek dotyczy wszystkich organizmów każdego dnia, a nie tylko w okresach przejściowych chorób lub ogromnego stresu. DDX5 podobne do prionów i podobne białka „mają wewnętrzną skłonność do agregacji, a organizm stara się chronić przed agregacją” – powiedział David. „To coś fizjologicznego, z którym wszyscy musimy sobie radzić”.

A fakt, że agregacja białek w całym ciele jest czynnikiem starzenia się organizmów tak różnych, jak drożdże, robaki, muchy, ryby, myszy i ludzie, dodała, „oznacza, że ​​my, jako pole, powinniśmy płacić dużo więcej uwaga na to.”