Биология амилоидов: Укладка белков и здоровье

человека Юрий Олегович Чернов

Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, USA

School of Biology and Institute for

Bioengineering and Bioscience

Санкт-Петербургский государственный

университет, Россия

УЧАСТНИКИ ПРОЕКТА В СПбГУЛаборатория биологии

амилоидовЮ.О. Чернов, руководитель лабораторииА.А. Рубель, зам. руководителя лабораторииСотрудники лабораторииАспиранты и студенты СПбГУ

С.Г. Инге-Вечтомов, зав. каф. генетики и биотехнологииГ.А. Журавлёва, проф. каф. генетики и биотехнологииА.П. Галкин, доц. каф. генетики и биотехнологииА.Ф. Сайфитдинова, доц. каф. цитологии и гистологии

Center for Nanobiology of the Macromolecular Assembly Disorders

(NanoMAD)

http://www.nanomad.gatech.edu/

МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО

Director – Prof. Y. O. Chernoff

Georgia Institute of Technology

(with participation of Emory University)

Atlanta, Georgia, USA

Партнёры в СПбГУ

АМИЛОИДНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА (не менее 50)

Болезнь Альцгеймера

Болезнь Паркинсона

Болезнь Хантингтона

Прионовые заболевания

(болезнь Кройтцфельдта

-Якоба, куру, коровье

бешенство)Диабет второго типа

Связаны с образованием волокнистых

упорядоченных белковых агрегатов

(амилоидов)

Амилоидные заболевания

Наследуемые(вызываются мутациями в ДНК)

Инфекционные(передаются от одного организма к другому)

Спорадические (вызываются неизвестными причинами)

Чем дольше мы живём тем больше будет роль амилоидных заболеваний

У 13% людей старше 65, почти половины людей старше 85

БОЛЕЗНЬ АЛЬЦГЕЙМЕРА< 1% наследуемых случаев, остальные спорадические

Смертельна и неизлечима

6я по счёту из наиболее частых причин смерти (3я в экономически развитых странах)

Единственная для которой число смертельных случаев устойчиво растёт

(для сравнения, у рака и сердечных заболеваний – падает)

Amyloid Precursor Protein

Amyloid β

Многие смертельны, большинство неизлечимы

Факторы среды влияющие на эти заболевания мало изучены

Профилактические меры не существуют

Ранняя диагностика (до появления симптомов) не развита; после появления симптомов, лечить поздно

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СВЯЗАННЫЕ С АМИЛОИДНЫМИ ЗАБОЛЕВАНИЯМИ

Нуклеированная полимеризация(«кристаллизация в одном измерении») сопровождается изменением

укладки иммобилизированной молекулы.Таким образом, амилоидная укладка воспроизводится.

+

Амилоиды – самособирающиеся не-ковалентные полимеры идентичных белковых молекулю

Прионы – передающиеся амилоиды

Большинство амилоидных заболеваний передаются между клетками, и для некоторых амилоидов в эксспериментальных условиях показана

передача между организмамиВ определённой степени, многие амилоиды – прионы

АМИЛОИДЫ И ПРИОНЫ

КОРОВЬЕ БЕШЕНСТВО

• Появилось в Великобритании в 1986 годуПредположительно передалось от овец (у которых и ранее была известна сходная болезнь – скрэпи), потому что овечьи субпродукты использовались в пищевых добавках для коров

• Общее число коров инфицированных в ходе эпидемии оценено в 1 миллион (1996).

• Красным цветом обозначены страны с высокой частотой коровьего бешенства

Мозг бешеной коровы

ПРИОНОВЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА

• Болезнь Кройцфельдта-Якоба (CJD)Спорадическая или наследуемая

• Вариантная болезнь Кройцфельдта-Якоба (vCJD)

Инфекционная (от бешеных коров)

• Синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера (GSS)– Наследуемая

• Смертельная семейная бессонница (FFI)– Наследуемая

• Куру– Инфекционная (через ритуальный

каннибализм у племени форе Новой Гвинеи)

Связаны с прионовым белком – PrP; смертельны и неизлечимы.

УФ, РАДИАЦИЯ, НУКЛЕАЗЫ

ЭКСТРАКТ МОЗГА

ПОИСК ИНФЕКЦИОННОГО АГЕНТА

Вируса не могли найти.Агент оказался устойчив к

воздействиям разрушающим ДНК, в том числе вирусную

(Alper, 1966)

Гипотеза: белок (Griffith, 1967)

Предложен термин prion = Proteinaceous infectious particle

(Prusiner, 1981)

Показано что протеиназо-устойчивый гликопротеин,

prion protein (PrP), накапливается в амилоидной форме в поражённых мозгах

(Prusiner lab, 1982)

Первоначально считался вирусом

К 2010-2011 гг. разным лабораториям удалось показать передачу инфекции лабораторным животным агрегатами белка PrP полученными в пробирке.

СТАРЫЙ ВЗГЛЯД НА УКЛАДКУ БЕЛКОВ:

Один и тот же белок всегда укладывается в одну и ту же структуру

НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА УКЛАДКУ БЕЛКОВ:

Один и тот же белок может укладываться в разные структуры

«Текстовая» матрица (ДНК)

“ТЕКСТОВОЕ” И “СТРУКТУРНОЕ” КОДИРОВАНИЕ

В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Структурная матрица (прион)

ПРИОНЫ ЧЕЛОВЕКА И МЛЕКОПИТАЮЩИХ – БЕЛКОВЫЕ ИНФЕКЦИОННЫЕ АГЕНТЫ

ПРИОНЫ МИКРООРГАНИЗМОВ (ДРОЖЖЕЙ) – НАСЛЕДУЕМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ПЕРЕДАЮЩИЕСЯ ЧЕРЕЗ ЦИТОПЛАЗМУ («белковые гены»)

ПРИОНЫ ДРОЖЖЕЙ – ПРИМЕР БЕЛКОВОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Нет роста

Красный

ЭТИ ДВА ШТАММА ИМЕЮТ ИДЕНТИЧНЫЕ ГЕНОМЫ

ЭТИ ПРИЗНАКИ НАСЛЕДУЮТСЯ СТОЛЬ ЖЕ ТОЧНО КАК И ЛЮБЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ РАЗЛИЧИЯ

У НИХ РАЗНЫЕ ПРИЗНАКИ

НА УРОВНЕ ДНК, ОНИ ТОЧНЫЕ КЛОНЫ ДРУГ ДРУГА

Они не различаются ни на один нуклеотид

МАЛО ГЕНОМИКИ – НУЖНА ПРИОНОМИКА!

ПРИОНЫ ДРОЖЖЕЙ КОНТРОЛИРУЮТ ФЕНОТИПИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ

Белок Sup35 в не-прионовой форме ([psi-])

Белок Sup35 в прионовой форме ([PSI+])

Есть рост Белый

МНОГО ЛИ ПРИОНОВ В ПРИРОДЕ?

Не менее 1/3 природных и лабораторных штаммов дрожжей имеют прионы.

Некоторые из этих признаков важны для адаптации дрожжей (например к условиям производства спирта).

Эти данные показывают что прионы широко распространены у дрожжей и связаны с потенциально адаптивными признаками.

ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ АМИЛОИДОВ

Синтез меланина (тёмного пигмента) у человека и животных

Хранение пептидных гормонов у млекопитающих

Защита от рыбьей икры от замораживания

Взаимодейстие между клетками (биоплёнки) и с субстратом у бактерий и грибов

Волокнистые белки – например, паучий шёлк

Долговременная память? (Моллюск Aplysia и плодовая мушка Drosophila)

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АМИЛОИДОВ

Самособирающиеся точно воспроизводимые наноструктуры

ЕСТЬ ЛИ ПОЛЕЗНЫЕ ПРИОНЫ У ЛЮДЕЙ?

ВЫВОДЫ

• Волокнистые агрегаты неправильно сложенных белков (амилоиды) связаны как с болезнями так и с необычными формами наследственности

• Амилоидные болезни широко распространены и связаны со старением

• Амилоиды и прионы – структурные матрицы

• В геномах разных организмов (включая человека) много белков имеющих потенциальные амилоидные домены

ВОПРОСЫ

Какова структура амилоидов?

Как возникают амилоиды?

Как размножаются амилоиды?

Сколько амилоидов/прионов у человека?

Можно ли использовать дрожжи для изучения амилоидов человека?

КАКОВА СТРУКТУРА ПРИОНОВ ДРОЖЖЕЙ И АМИЛОИДА β?

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЙ β-ЛИСТ

Новый мономер укладывается в структуру соответствующую предсуществующей «матрице»

КАК ВОЗНИКАЮТ АМИЛОИДЫ И ПРИОНЫ?

У дрожжей, временное увеличение количества белка может приводить к возникновению амилоидной

(прионовой) формы

Впервые показано Ю.О. Черновым и соавторами в работе начатой под руководством С. Г. Инге-Вечтомова

на кафедре генетики СПбГУ

КАК «РАЗМНОЖАЮТСЯ» АМИЛОИДЫ И ПРИОНЫ?

Обычный амилоидный

агрегат

Прион – агрегат, фрагментируемый

шаперонами

Работы Ю.О. Чернова и других лабораторий

У человека есть по крайней мере 250 белков сходных с прионами дрожжей

Но есть ещё и другие амилоиды и прионы (например, амилоид β по последовательности не похож на прионы

дрожжей)

Значит, на самом деле прионов и амилоидов может быть ещё больше

СКОЛЬКО АМИЛОИДОВ И ПРИОНОВ У ЧЕЛОВЕКА?

ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРИИ БИОЛОГИИ АМИЛОИДОВ

Выявить амилоидогенные белки человека и научиться предсказывать способность белка

формировать амилоиды

Выяснить какие изменения в белках влияют на возникновение амилоидов

Выявить факторы среды и физиологии влияющие на возникновение амилоидов

Разработать новые подходы к профилактике и терапии амилоидных болезней основанные на

понимании механизме амилоидогенеза