Формирование наноамилоидных олигомеров и фибриллярных структур

Как индивидуальность мономерные наноамилоиды существуют недолго. Стремясь скрыть гидрофобные участки, они взаимодействуют между собой, образуя более крупные олигомерные наночастицы с округлой замкнутой структурой (см.

Округлые олигомеры нано-Ар (см. рис. 2а) (Мальцев, Галзитская, 2010) хорошо растворимы в водных растворах, поэтому попадают в кровяное русло и при определенных условиях обнаруживаются в крови человека (Мальцев и др., 2008). Предфибриллярные, линейные структуры олигомеров нано-Ар (см. рис. 2) самостоятельно без внешнего воздействия склонны к гомоагрегации in vitro (Chiti et al., 1999) и отложению в виде биохимически неактивных внутриклеточных включений и волокон, либо внеклеточных фибрилл амилоидных и синильных бляшек (Dobson, 1999), которые (по нашему мнению), в соответствии с нашей гипотезой, выполняют важные функции для поддержания работы органов и жизненно необходимых процессов организма в период интенсивной гибели нейронов.

Результаты многих исследований указывают на то, что образование амилоидной фибриллы является фундаментальным свойством белковых молекул дифференцированных клеток в целом, а не только узкого класса так называемых амилоидогенных белков, связанных с амилоидными болезнями, как считалось вплоть до недавнего времени (Bucciantini et al., 2004; Dobson, 1999). При этом нормальные белки при образовании фибрилл становятся токсичными наноамилоидами (Bucciantini et al., 2004).

Тот факт, что белок может свернуться неправильно или образовать частично развернутое состояние наноамилоида, которое в дальнейшем подвергается необратимой агрегации, указывает на проблемы, которые могут возникнуть в ходе сворачивания белка. Неспособность белковой цепи свернуться в нативную структуру приводит к нарушению функции белка, а следовательно к болезни (Dobson, 1999). Среди конформационных болезней амилоидные болезни составляют особую группу. Общей чертой этих болезней является образование амилоидных фибрилл из нано-Ар, в которых отдельные P-слои ориентированы перпендикулярно главной оси фибриллы. Образование фибрилл - яркий пример изменения конформации белковых молекул, связанного с увеличением доли P-структуры у наноамилоидов (Chiti et al., 1999; Fandrich et al., 2001). Образование фибрилл в общем случае зависит не от структуры белка-предшественника, а в значительной степени от его аминокислотной последовательности.

Понимание молекулярных механизмов образования фибрилл позволило бы объяснить причину возникновения этих болезней. Для некоторых белков были экспериментально определены участки, которые могут отвечать за образование амилоидных фибрилл. Показано, что образование фибрилл зависит от условий проведения эксперимента и что денатурирующие факторы способствуют образованию фибрилл: чтобы агрегировать, белки должны быть развернуты или частично развернуты (Dobson, 1999).

Агрегация пептидов и белков, связанных с амилоидозами такого типа, как диабет типа II, болезни Альцгеймера и Паркинсона, не требует предварительного полного разворачивания белков, так как эти белки в основном состоят из небольшого числа аминокислотных остатков и при физиологических условиях уже не структурированы (Rochet, Lansbury, 2000). Однако большинство нативно развернутых белков in vivo не агрегирует (Uversky et al., 2000). Данный факт указывает на то, что разворачивание белка является необходимым, но недостаточным условием для образования нано-Ар и амилоидных фибрилл. Скорее всего, должны существовать специальные мотивы аминокислотной последовательности, которые, будучи доступны для растворителя, более подвержены агрегации, чем другие участки аминокислотной последовательности. Экспериментальные факты только подтверждают гипотезу о том, что небольшие области белка ответственны за образование фибриллярных наноамилоидов (Von Bergen et al., 2000; Ivanova et al., 2004; Tenidis et al., 2000).

Так, встроенная в N-конец белковой молекулы амилоидогенная последовательность из шести аминокислотных остатков (STVIIE) вызывает процесс образования фибриллы у водорастворимого белка а-спектрина, Sffi-домен, который не образует наноамилоидные фибриллы при этих же условиях (Esteras-Chopo et al., 2005). При этом в ядро нанофибриллы, недоступное протеазам, входят короткие последовательности из растворимого глобулярного белка, примыкающие к амилоидогенному участку. Таким образом, короткие амилоидогенные участки, доступные для внутримолекулярных взаимодействий, ускоряют реакцию самосборки, втягивая оставшуюся часть белка в фибриллярный агрегат.

Похожий результат был получен ранее для р2-микроглобулина мыши, который не образует амилоидов. В этом белке семь аминокислотных остатков были заменены на семь аминокислотных остатков из р2-микроглобулина человека (образующего амилоиды) в том месте, где наблюдается наибольшее различие между первичными структурами этих белков, остатки 83-89. Такая замена в белке приводит к образованию наноамилоидов in vitro (Ivanova et al., 2004). Следует отметить, что сам пептид (NHVTLSQ) образует наноамилоиды, а пептид, составленный из тех же аминокислот, но в случайном порядке (QVLHTSN), - нет (Ivanova et al., 2004). На основании полученных экспериментальных данных в работе предложена модель Р-зигзагообразного стержня, который декорирован оставшейся частью белковой молекулы.

Идентификация таких амилоидогенных участков в белках открывает возможность использования их как мишени для предотвращения процесса образования нано-Ap и амилоидных фибрилл.

9.