Старіючий мозок людей з хворобою Альцгеймера, Паркінсона та іншими нейродегенеративними захворюваннями насичений помітними агрегатами білків у їхніх нейронах або навколо них. Як ці згустки білка можуть завдавати шкоди нейронам, часто досі неясно, але вони є характерними ознаками захворювань — і досі їх пов’язували майже виключно з мозком літніх людей.
Але а Недавнє дослідження Команда дослідників Стенфордського університету припускає, що агрегація білків може бути універсальним явищем у старіючих клітинах і може бути залучена до набагато більшої кількості хвороб старіння, ніж підозрювали. Їх відкриття вказує на новий спосіб мислення про те, що йде не так у клітинах, коли вони старіють, і, потенційно, на нові способи запобігання деяким наслідкам процесу старіння.
«Це широко поширене — це не просто одна конкретна тканина, це багато різних тканин», — сказав Делла Давид, дослідник проблем старіння з Інституту Бабрагама в Кембриджі, Англія, який не брав участь у дослідженні.
Дослідження також підкреслює, що агрегація білка тісно пов’язана з основними механізмами, які дозволяють клітинам регулювати свою фізіологію з надзвичайною делікатністю. Біологам потрібно буде ретельно оцінити, можливо, в кожному конкретному випадку, чи представляють білкові агрегати загрозу для клітин або створений ними захист.
Нова робота, опублікована на сервері препринтів biorxiv.org у березні, є першою спробою кількісно визначити, скільки агрегації білка відбувається в організмі під час природного старіння хребетної тварини — у цьому випадку дуже короткоживучої риби. . Дослідження показало, що агрегація білків, ймовірно, сприяє поступовому погіршенню багатьох тканин з часом. Отримані дані навіть дають натяк на те, чому ці агрегати набагато більш очевидні в мозку, ніж в інших тканинах: це може бути тому, що мозок так швидко розвивався.
Ден Ярош, системний біолог Стенфордського університету, який разом зі своїм колегою-генетиком керував експериментами Енн Брюне, не був готовий до того, скільки білків агрегується в старіючій рибі — або до того, як часто ті самі білки, у мутованих формах, пов’язані з дегенеративними захворюваннями. «Це змусило мене замислитися, чи багато інших вікових хвороб, які ми зараз не пов’язуємо з агрегацією білків, насправді можуть бути пов’язані з нею», — сказав він.
Підказки від риби
Африканська бірюзова вбивця живе в перехідних водоймах у Східній Африці, які утворюються під час сезону дощів. Коли риба наближається до кінця свого 4-6-місячного життя, у неї розвивається низка вікових захворювань, включаючи катаракту та пов’язані з мозком зміни, які нагадують нейродегенеративні розлади, такі як хвороба Альцгеймера у людей. Його коротка тривалість життя — набагато коротша, ніж у лабораторної миші, наприклад — і швидке природне старіння роблять його ідеальною моделлю для вивчення старіння хребетних.
«Що вражає в цій рибі, так це те, що зі старінням відбувається не лише агрегація білків, серцева недостатність чи дисфункція мозку», — сказав Даріо Валенцано, еволюційний біолог з Інституту біології старіння Макса Планка та Інституту старіння імені Лейбніца, обидва в Німеччині, який проходив докторську підготовку з Брюне. «Практично будь-який орган і тканина, на які ми дивимося, під час старіння зазнають досить катастрофічних змін».
Команда Стенфордського університету провела обширний аналіз білків морських вбивць на різних стадіях молодості та зрілості. У старіючої морської вбивці вони виявили білкові агрегати в усіх тканинах, які вони досліджували: не лише в мозку, але й у серці, кишечнику, печінці, м’язах, шкірі та яєчках. Більше половини агрегованих білків, здавалося, демонстрували внутрішню тенденцію до агрегації в подальших експериментах.
Але які саме агреговані білки суттєво відрізнялися від однієї тканини до іншої. Багато з білків експресувалися на практично еквівалентних рівнях у багатьох тканинах, але, хоча вони агрегували в одній, вони взагалі не злипалися в інших.
«Ступінь тканинної специфічності агрегуючого протеома вражає», — сказав Девід. Причини цих відмінностей, вважають вона та інші дослідники, відображають те, як клітини підтримують якість своїх білків. Клітини мають складні механізми, які забезпечують належне згортання довгих ланцюжкових молекул пептидів, з яких складаються білки, і навіть для того, щоб пептиди зрештою подрібнювалися для переробки. Але тканини можуть відрізнятися в тому, наскільки вони залежать від різних аспектів процесу контролю якості білка, і ці акценти можуть змінюватися з віком, сказав Ярош.
«Це дійсно важливо, тому що велика загадка в біології людини полягає в тому, чому ці нейродегенеративні захворювання настільки специфічні для тканин», — сказав Синтія Кеніон, віце-президент із дослідження старіння в біотехнологічній компанії Calico Life Sciences, який не брав участі у Стенфордській статті. Наприклад, ніхто насправді не знає, чому білкові бляшки амілоїду при хворобі Альцгеймера утворюються в гіпокампі мозку, а агрегати при хворобі Паркінсона є специфічними для дофамінових нейронів. Можливість того, що різні клітини підтримують якість білка по-різному, «принаймні дає можливе пояснення того, чому різні тканини повинні поводитися так по-різному», сказала вона.
Важливість контролю якості
Дослідження черв’яків і мух свідчать про те, що якщо механізм, який підтримує стабільність білків, порушується, тварини старіють швидше. Якщо шляхи контролю якості білка генетично посилені, тварини живуть довше. Жодне з цього не означає, що агрегація білка спричиняє старіння, але це суттєво означає, що ці два тісно пов’язані між собою.
Щоб глибше дослідити взаємозв’язок між агрегацією білків і старінням, дослідники Стенфордського університету уважніше розглянули білки в мутантній різновиді морської вбивці, яка старіє надзвичайно швидко. У цих риб є мутація в гені ферменту теломерази, який зберігає довжину хромосом, що діляться; Тварини з мутаціями теломерази зазвичай швидко старіють.
Ярош сказав, що він та його колеги очікують виявити, що в кишечнику та інших тканинах, які швидко ростуть або замінюються, буде менше агрегатів: додаткові поділи клітин дадуть швидко зростаючим тканинам більше можливостей для очищення агрегатів і відновлення. Але було навпаки: тканини, що швидко зростали, мали більше неправильно згорнутих і агрегованих білків, і вони старіли швидше, ніж тканини, які росли повільно.
Знову ж таки, причиною можуть бути проблеми з контролем клітини над якістю своїх білків. Якщо клітини втрачають контроль над процесами, які підтримують якість їхніх білків, з кожним поділом клітини може наростати більше пошкоджень від агрегатів. Тканини, які швидко ростуть, можуть старіти швидше, оскільки вони мають більше шансів накопичити цю шкоду.
Конденсація, агрегація та пріони
Чому білки іноді агрегують, складно. Дивно, але частина відповіді виявляється глибоко пов’язаною з істотним механізмом під назвою конденсація, який клітини використовують для контролю своїх білків.
Історично вважалося, що складні тривимірні форми, в які згортаються пептиди, визначають діяльність і функції білків, які вони утворюють. Але в останнє десятиліття чи близько того було виявлено, що зростаючий список білків має «внутрішньо невпорядковану» область, яка не згортається в стабільну форму. За правильних умов безліч цих білків збирається в краплі або конденсати — оборотний процес, схожий на «розділення фаз», який змушує масло утворювати краплі у воді. Він може підвищувати активність ферментів, концентруючи ферменти разом із їхніми субстратами, або пригнічувати активність, відокремлюючи ферменти від їхніх субстратів. Змінюючи локальну концентрацію субстратів і ферментів усередині себе, клітини можуть використовувати конденсати для точного налаштування своєї білкової активності.
Але невпорядковані ділянки білків також можуть спричинити їх міцніше злипання у вигляді агрегатів, склеюючи клітини та сіючи хаос. Гірше того, деякі дефектні білки не тільки неправильно згортаються та агрегують себе, але й спричиняють неправильне згортання інших білків того ж типу, що призводить до ланцюгової реакції агрегації. Концептуально це схоже на те, що відбувається при «коров’ячому сказу» та варіанті синдрому Крейтцфельда-Якоба, коли аномально згорнуті білки, які називаються пріонами, каталізують хвилю аномальної агрегації білків у мозку.
Таким чином, конденсація є механізмом контролю, який супроводжується ризиками. Але в еволюційному плані його переваги, очевидно, настільки значні, що ціна — вразливість до багатьох захворювань, пов’язаних зі старінням — здається варта того, щоб заплатити, сказав Ярош.
Яскрава ілюстрація цього з’явилася в другому препринті, опублікованому в березні, в якому Стенфордська команда домівся на білок під назвою DDX5, який агрегує в старіючих мізках вбивць. DDX5, який є найбільш активним у своєму конденсованому стані, виконує низку важливих функцій в організмі, часто допомагаючи забезпечити належне виробництво інших білків. Виходячи з його амінокислотної послідовності, дослідники передбачили, що DDX5, ймовірно, поводитиметься як пріон, і їх подальша робота підтвердила, що це так: один неправильно згорнутий білок DDX5 сприяє неправильному згортанню та агрегації інших молекул DDX5.
Але на цьому агрегація не закінчується: дослідники Стенфордського університету також виявили в згустках DDX5 безліч інших білків. Агрегати іноді можуть діяти як «липкі краплі», які захоплюють інші білки, невибірково втручаючись у клітинні функції, пояснюється Джон Лаббадія, чия лабораторія в Університетському коледжі Лондона вивчає контроль якості білка та старіння.
«Це свідчить про те, що ми маємо ці... білки, які агрегують з віком і які фактично можуть каталізувати подальшу агрегацію білків подібним до пріонів чином, що раніше не було показано», — сказав він.
Стенфордська команда ретельно визначила, яка область білка DDX5 дозволяє конденсації контролювати його активність — і виявилося, що це та сама область, яка також робить його схильним до агрегації. Контроль над природною функцією білка та його схильність до агрегації нерозривно пов’язані. «Це Catch-22», — сказав Лаббадія.
«Одним із захоплюючих змін у моєму розумінні є те, що невпорядкована область не потрібна для діяльності у дуже вузькому визначенні», — сказав Ярош. «Але з точки зору того, як ця діяльність справді розгортається в живій системі, це насправді надзвичайно важливо».
Патологічний чи захисний?
Що саме провокує утворення агрегатів і скільки проблем вони завдають клітинам, залишається «великою, фантастичною, великою суперечкою в цій галузі», — сказав Кеньон. З одного боку, агрегати секвеструють DDX5 та інші білки, ефективно усуваючи важливі клітинні функції. Але агрегати також можуть мати захисну дію на виживання клітин.
Хорошим прикладом захисного ефекту є дослідження білка хантингтина, якого найбільше в мозку. Хантінгтин необхідний для здорового розвитку нервової системи, але у людей із хворобою Хантінгтона мутація призводить до аномальної довжини білка Хантінгтіна. Потім довгий білок подрібнюється на дрібніші токсичні сегменти, які пошкоджують нервову систему.
У 2004, Стів Фінкбайнер, дослідник старіння в Інституті Гладстона та Університеті Каліфорнії в Сан-Франциско, вивчав агрегацію білка Хантінгтина в культивованих нейронах. Його команда показала, що хоча всі нейрони, що експресують аномальний білок хантингтина, з часом гинуть, нейрони, які мають агрегати хантингтину вижили довше ніж ті, що цього не робили.
«Це було перше свідчення того, що утворення [агрегату] було реакцією на боротьбу з іншими субмікроскопічними формами неправильно згорнутого білка, які спричиняли проблеми», — пояснив Фінкбейнер в електронному листі до Quanta.
Відтоді він та інші показали, що ця реакція захисної агрегації має місце і при інших нейродегенеративних захворюваннях. Це може пояснити неодноразові невдачі експериментальних випробувань лікування хвороби Альцгеймера шляхом націлювання на бляшки, сказав він: якщо амілоїдні бляшки, характерні для захворювання, формуються для захисного зв’язування дефектного білка, то розщеплення бляшок може принести більше шкоди, ніж користі.
«Людям важко зрозуміти цю концепцію, оскільки здається інтуїтивно зрозумілим, що речі, які виглядають ненормальними, мають бути «поганими» та патогенними», — написав Фінкбейнер. «Але біологія складна, сповнена багатьох петель зворотного зв’язку, тому важливо, щоб люди не вводилися в оману, роблячи поспішні висновки».
Універсальний виклик із багатьма рішеннями
Зараз стає ясно, що агрегація білків — це явище не лише нейродегенеративних захворювань: це частина кожної клітини, яка живе достатньо довго, щоб старіти. Багато нормальних, важливих для розвитку білків, таких як DDX5, мають тенденцію до агрегації, і впоратися з цим злипанням є універсальною проблемою, яку має вирішити кожна клітина.
Оскільки клітини мають справу з цією проблемою протягом дуже тривалого часу, запобігання агрегації могло бути основною силою в еволюції білкових послідовностей. Оскільки велика кількість білків схильна до агрегації, а мутації посилюють цю тенденцію, природний відбір проти мутацій у великій кількості білків, ймовірно, буде дуже сильним. (Цей висновок підтверджується спостереженням, що у молодих тварин білки з більшою кількістю мають нижчу швидкість мутації.) Отже, дефіцитні білки можуть еволюціонувати швидше, ніж білки з великою кількістю, і швидша швидкість еволюції повинна корелювати зі схильністю до агрегації.
Брюнет і Ярош помітили, що цей ефект був найбільш вираженим у мозку вбивці. Дослідники припустили, що ці білки, що агрегують, можуть бути ключовими для інновацій в органі. Якщо так, то еволюційні зміни в мозку, які зробили його таким важливим органом у хребетних, також могли зробити цей орган більш вразливим до дегенеративних захворювань, спричинених агрегацією.
Дійсно, ймовірно, що кожна тканина і орган повинні знайти різний баланс або компроміс між виконанням своєї роботи та керуванням агрегацією білка, сказав Ярош. Кожна тканина має унікальні функціональні вимоги та обмеження, яким необхідно підкорятися: клітини кишечника постійно перевертаються; ендокринні клітини виробляють і виділяють гормони; імунні клітини починають діяти, коли виявляють загарбників; мозок обробляє інформацію. Різні роботи вимагають різних білків, а це означає, що розроблені стратегії боротьби з агрегацією білка відрізнятимуться від тканини до тканини та від тварини до тварини. Оскільки мозок хребетних у відносно недавньому минулому розвивався значно ширше та швидше, ніж, скажімо, м’язи, його механізми контролю якості білків, можливо, ще не мали достатньо часу, щоб виробити адекватні засоби захисту від агрегації відносно нових білків.
Тим не менш, фундаментальна проблема агрегації білка існує для всіх організмів щодня, а не лише під час перерв у хворобі чи сильному стресі. Пріоноподібний DDX5 і подібні білки «мають внутрішню схильність до агрегації, і організм прагне захистити себе від агрегації», — сказав Девід. «Це щось фізіологічне, з чим ми всі маємо мати справу».
І той факт, що агрегація білків у всьому тілі є фактором старіння таких різноманітних організмів, як дріжджі, хробаки, мухи, риби, миші та люди, додала вона, «означає, що ми, як поле, повинні платити набагато більше. звернути увагу на це».
