Задержанная капля воды может быть секретом распространения заболеваний мозга 

Фото из открытых источников

Ученые обнаружили, что крошечный скопление воды действует как «горячая точка», вызывая неправильное сворачивание здоровых белков мозга. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Вода заполняет промежутки между молекулами в мозге, играя важную роль, поддерживая их во влажном состоянии. Однако в тау-белковых клубках при болезни Альцгеймера вода отмечает точное место, где одна поврежденная молекула тау-белка соединяется с другой. Именно отпускание этой воды сближает две молекулы тау-белка.

Исследователи из Северо-Западного университета и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) обнаружили это в небольшом, изготовленном в лаборатории фрагменте белка тау, а не в мозге.

В пробирке фрагмент сначала прикрепился к растущему тау-волокну в одном месте. Химическое покрытие, наложенное на это место, привело к тому, что волокна практически не росли.

«Возможно, мы нашли способ упростить задачу для фармацевта или биохимика, потому что вместо того, чтобы искать всё подряд, мы можем сказать: „Ищите эту „горячую точку“. Именно она имеет значение“», — сказал соавтор исследования Сонги Хан, возглавляющий химическую лабораторию в Северо-Западном университете.

Здоровый тау-белок — это гибкий белок без фиксированной формы, который помогает поддерживать стабильность крошечных поддерживающих трубочек внутри нейрона. При болезни Альцгеймера и связанных с ней состояниях тау-белок сворачивается неправильно и образует длинные волокна. Эти волокна накапливаются внутри нейронов в виде тау-клубков, которые сканирование мозга может обнаружить еще до появления симптомов, а анализ крови может выявить их за несколько лет до этого.

Когда нейрон отмирает, волокна расходятся. Свободный конец волокна может затем захватить находящийся рядом здоровый тау-белок и деформировать его, придав ему ту же самую неправильную форму. Так повреждение распространяется от клетки к клетке, хотя некоторые нейроны этому сопротивляются. Копирование формы, которая точно соответствовала заданной задаче. Гибкая молекула не имеет очевидного способа занять одно и то же положение тысячи раз.

Полноразмерный белок тау слишком сложен для наблюдения по частям, поэтому команда Хана использовала его фрагмент. Этот фрагмент состоит из 19 аминокислот — строительных блоков белка — и получен из области, где фибриллы тау образуют свое ядро.

Один блок, расположенный в позиции 301, изменяется способом, который, как известно, ускоряет образование скоплений, и в более ранних работах волокна, полученные из этого среза, привлекали полноразмерный тау-белок.

Команда смешала свежие фрагменты с заранее подготовленными волокнами. Слипание началось в момент соединения двух материалов и стабилизировалось примерно через два часа. Фрагменты, не имевшие волокон для соединения, за тот же период вообще не слипались.

Чтобы определить, какая часть фрагментов первой захватила волокно, команда пометила семь из 19 его участков тяжелыми формами углерода и азота.

Затем аппарат магнитно-резонансной томографии, аналог больничного МРТ-сканера, делал снимки этих семи положений примерно каждые 15 минут в течение 12 часов. На снимке отображается свободное положение, а положение, зафиксированное в волокне, исчезает.

Позиция 300 погасла первой и быстрее всех. За ней последовали позиции 301 и 306, расположенные у основания U-образной складки фрагмента. Три позиции на открытых концах U-образной складки, 308, 309 и 313, значительно отстали. Таким образом, фрагмент не падает на волокно сразу. Он прикрепляется в одном месте, а остальная часть цепочки затем складывается на место.

Команда получила тот же результат, прикрепив крошечную магнитную метку к позициям 300, 306 или 314 на разных партиях фрагментов. По мере соединения каждой партии волокон метка в позиции 300 замедлялась быстрее всего.

Части поверхности белка легко смешиваются с водой. Другие участки отталкивают её, подобно маслу. Вода рядом с этими участками образует рыхлую, похожую на лед шапку, которая продолжает двигаться.

В компьютерных симуляциях конца волокна, проведенных командой исследователей, наибольшее изменение концентрации воды вокруг него между свободным фрагментом и тау-волокном было зафиксировано в позиции 300.

Второе измерение показывает, как быстро движется вода рядом с магнитной меткой. Оно также показало, что наиболее медленно движущаяся, упорядоченная вода находится в точке 300, а в точках 306 и 314 ее движение было менее интенсивным.

«Есть определённый участок, который вода не может полностью покрыть, потому что она не любит воду. Но этот участок всё равно нужно защищать, потому что если этого не сделать, то белок выпадет и станет недоступным», — объяснил Хан. «Вода, как правило, образует вокруг себя стабилизирующий слой, и эти водяные шапки, по сути, притягиваются друг к другу».

Когда встречаются две закрытые точки, упорядоченная молекула воды освобождается. Освобождение этой молекулы высвобождает энергию, и именно эта энергия удерживает две молекулы тау вместе, обеспечивая их постоянное одинаковое расположение.

Если соединение начинается с позиции 300, то блокировка этой позиции должна нанести наибольший вред волокну. Магнитные метки, разработанные командой, также служили колпачками, поскольку помеченный фрагмент, соединяющий волокно, оставляет свою метку на новом конце волокна.

Через 12 часов волокна, выращенные из фрагментов, помеченных в позиции 300, под электронным микроскопом выглядели почти так же, как и исходные волокна, как по длине, так и по количеству. Волокна, помеченные в позициях 306 или 314, значительно вытянулись за их пределы. Метка в позиции 300 все еще позволяла следующему фрагменту стыковаться, но она задерживала этап блокировки, который удлиняет волокно.

Всё это происходило в пробирке, с фрагментом из 19 частей, несущим одну мутацию. Полноразмерный тау-белок в живом нейроне может содержать химические дополнения, включая фосфатные группы, которых не было у этого фрагмента.

Команда исследователей предполагает, что точка первого контакта будет смещаться по мере того, как эти дополнения и другие мутации изменяют поверхность белка. Суть, как они написали, заключается не в самой позиции 300, а в том, что растущее тау-волокно вообще имеет доминирующую точку первого контакта.

Остаются открытыми вопросы о том, можно ли заблокировать соответствующий участок на полноразмерном белке тау внутри живого нейрона и замедлит ли это распространение нейрофибриллярных клубков. Команда надеется, что теперь другие смогут разработать молекулы, которые покроют проблемную зону и предотвратят рост волокон.

Хан также отметил, что болезнь необходимо воссоздать, прежде чем ее можно будет вылечить, и что создать в лаборатории тау-волокна, имитирующие каждое заболевание, по-прежнему сложно.