Ξετυλίγοντας τα μυστήρια των εγκεφαλικών ασθενειών — όταν οι πρωτεΐνες κολλάνε στα στερεά

Η προβολή πρωτεϊνών σε νανοκλίμακα παρέχει πληροφορίες για τη θεραπεία νευροεκφυλιστικών ασθενειών.

Πολλές ασθένειες που επηρεάζουν τον εγκέφαλο και το νευρικό σύστημα σχετίζονται με το σχηματισμό πρωτεϊνικών συσσωματωμάτων ή στερεών συμπυκνωμάτων στα κύτταρα από τα υγρά τους συμπυκνώματα, ωστόσο λίγα είναι γνωστά για αυτή τη διαδικασία.

Αυτή η μετάβαση από υγρό σε στερεό μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό των λεγόμενων αμυλοειδών ινιδίων. Αυτά μπορεί να σχηματίσουν πλάκες στα νευρικά κύτταρα, προκαλώντας νευροεκφυλιστικές ασθένειες όπως: Η ασθένεια Αλτσχάϊμερ.

Βιοϊατρικοί μηχανικοί στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ, σε συνεργασία με επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ και στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, έχουν αναπτύξει εξελιγμένες οπτικές τεχνικές για να παρακολουθούν από κοντινή απόσταση τη διαδικασία με την οποία σχηματίζονται αυτά τα πρωτεϊνικά συσσωματώματα.

Δοκιμάζοντας μια πρωτεΐνη που σχετίζεται με τη νόσο της αμυοτροφικής πλευρικής σκλήρυνσης (ALS), η οποία επηρεάζει τον αστροφυσικό καθηγητή Stephen Hawking, οι μηχανικοί του Σίδνεϊ παρακολούθησαν στενά τη μετάβασή της από την υγρή στη στερεή φάση.

Τρισδιάστατη ομοεστιακή μικροσκοπία σάρωσης συμπυκνώματος πρωτεΐνης FUS που επωάστηκε για 24 ώρες που δείχνει τη χαρακτηριστική δομή πυρήνα-φλοιού που αποκαλύφθηκε από αυτή την έρευνα. πίστωση: στ Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ

“Αυτό είναι ένα τεράστιο βήμα προς τα εμπρός προς την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αναπτύσσονται οι νευρολογικές ασθένειες από μια θεμελιώδη προοπτική”, δήλωσε ο Δρ. Yi Xin, επικεφαλής συγγραφέας της έρευνας που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Neurology. Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (PNAS) στις Ηνωμένες Πολιτείες.

«Μπορούμε τώρα να παρατηρήσουμε άμεσα τη μετάβαση αυτών των σημαντικών πρωτεϊνών από υγρή σε στερεή νανοκλίμακα «Είναι ένα εκατομμυριοστό του μέτρου», είπε ο Δρ Daniele Figullo, Ανώτερος Λέκτορας στη Σχολή Βιοϊατρικής Μηχανικής και μέλος του Ινστιτούτου Nano του Πανεπιστημίου του Σίδνεϊ.

Οι πρωτεΐνες σχηματίζουν τακτικά συμπυκνώματα κατά τον διαχωρισμό της φάσης υγρού σε υγρό σε ένα ευρύ φάσμα κρίσιμων και υγιεινών βιολογικών λειτουργιών, όπως ο σχηματισμός ανθρώπινων εμβρύων. Αυτή η διαδικασία βοηθά τις βιοχημικές αντιδράσεις όπου οι συγκεντρώσεις πρωτεΐνης είναι κρίσιμες και επίσης προάγει τις υγιείς αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης.

Η ερευνητική ομάδα του Vigolo και του Shane. Πίστωση: Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ

“Ωστόσο, αυτή η διαδικασία αυξάνει επίσης τον κίνδυνο δυσλειτουργικής συσσωμάτωσης, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται ανθυγιεινά συσσωματώματα άκαμπτων πρωτεϊνών στα ανθρώπινα κύτταρα”, δήλωσε ο Dr Shen, μέλος του ARC DECRA στη Σχολή Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής και μέλος του Sydney Nano. .

“Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ανώμαλες δομές που σχετίζονται με νευροεκφυλιστικές ασθένειες επειδή οι πρωτεΐνες δεν παρουσιάζουν πλέον ταχεία αναστρεψιμότητα πίσω στην υγρή μορφή. Επομένως, είναι απαραίτητο να παρακολουθείται η δυναμική των συμπυκνωτών, καθώς επηρεάζουν άμεσα τις ασθένειες”, είπε.

Η πρώτη στον κόσμο οπτική παρατήρηση αυτής της διαδικασίας σε νανοκλίμακα επέτρεψε στην ομάδα να προσδιορίσει ότι η μετάβαση από μια υγρή πρωτεΐνη σε μια στερεή πρωτεΐνη ξεκινά στη διεπιφάνεια των προσροφητών πρωτεΐνης. Αυτό το παράθυρο στη μετάβαση αποκάλυψε επίσης ότι οι εσωτερικές δομές αυτών των πρωτεϊνικών συσσωματωμάτων είναι ετερογενείς, καθώς προηγουμένως θεωρούνταν ομοιογενείς.

Ο Δρ Vigolo είπε: «Τα ευρήματά μας υπόσχονται να βελτιώσουν σημαντικά την κατανόησή μας για τις νευρολογικές παθήσεις από μια θεμελιώδη προοπτική.

«Αυτό σημαίνει μια πολλά υποσχόμενη νέα περιοχή έρευνας για την καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η νόσος του Αλτσχάιμερ και το ALS εξελίσσονται στον εγκέφαλο, επηρεάζοντας εκατομμύρια ανθρώπους σε όλο τον κόσμο».

Αναφορά: «Η μετάβαση του FUS από υγρό σε στερεό ενισχύεται από την επιφάνεια των συμπυκνωμάτων» από τους Yi Shen, Anqi Chen, Wenyun Wang, Yinan Shen, Francesco Simone Ruggeri, Stefano Aime, Zizhao Wang, Sima Qamar, Jorge R. Espinosa, Adiran Garrizar , Peter St. George Hislop, Rosanna Colibardo Guevara, David A. Weitz, Daniele Figullo και Thomas PJ Knowles, 7 Αυγούστου 2023, Διαθέσιμο εδώ. Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών.
doi: 10.1073/pnas.2301366120

Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το Ίδρυμα Francis and Augustus Newman, το Wellcome Trust, το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας, την Αμερικανική Ένωση Αλτσχάιμερ, το ALS Canada-Brain Canada, τα Καναδικά Ινστιτούτα Έρευνας Υγείας και το Εθνικό Ινστιτούτο για τη Γήρανση.