Проворные убийцы энергии: белковые сгустки в мозге оказались активными разрушителями

Белковые сгустки, связанные с болезнью Паркинсона, оказались не просто мусором, скопившимся в мозге, а химически активными структурами, которые способны разрушать главный источник энергии для нейронов. К такому выводу пришли учёные в работе, опубликованной в журнале Advanced Science. Согласно исследованию, эти белковые отложения могут вести себя как мини-ферменты-ренегаты, разрушая молекулу аденозинтрифосфата (АТФ) — она же основной аккумулятор жизненной силы клеток.

Долгое время считалось, что сгустки белка альфа-синуклеин (их ещё называют амилоидами), растущие в мозге больных Паркинсоном, вредят окружающим тканям просто мешая процессам — от дырявления мембран до захвата других белков. Но под руководством Перниллы Виттунг-Стафшеде из университета Райса команда учёных решила дойти до сути.

Раньше те же исследователи уже показывали: амилоиды не так инертны, как предполагалось, и способны ускорять химические реакции. Тогда и возник вопрос: а что, если амилоиды разрушают жизненно важные молекулы прямо внутри клетки? Идеальная цель — молекула АТФ, универсальный переносчик энергии. Нейроны, к слову, сжигают энергию, словно новогодние гирлянды — и не хранят запасы, так что малейшие перебои для них критичны.

Учёные провели лабораторный эксперимент: сначала проверили, как АТФ взаимодействует с амилоидами. Для этого использовали реакцию распада пара-нитрофенил ортофосфата, а когда добавили АТФ — реакция остановилась. Значит, АТФ заняла то же активное место на поверхности амилоида.

Далее добавили к альфа-синуклеиновым амилоидам раствор АТФ и проверили всё с помощью малachitовой зелёной пробы — если происходит распад и появляется свободный фосфат, цвет изменяется. И что же? Фосфата становилось всё больше, пока амилоиды разрушали энергетические связи АТФ, причём в стиле настоящих ферментов: одну молекулу за другой, пока не кончатся запасы. Если брать не амилоид, а одиночные молекулы альфа-синуклеина — ничего подобного не наблюдается.

Дальше вся тяжёлая артиллерия: криоэлектронная микроскопия, чтобы разглядеть структуру амилоида. Видно, что белковый сгусток состоит из двух переплетённых нитей, между которыми есть «карман». Когда внутрь заходит АТФ, один участок белка (аминокислоты 16–22) складывается так, что накрывает добычу «крышкой» — получается ловушка.

Внутри этой ловушки — цепочка положительно заряженных лизинов (аминокислот), они притягивают негативно заряженный хвост АТФ, фиксируя молекулу в идеальном положении для распада. Если изменить хотя бы один из этих лизинов (заменить на нейтральный аланин), амилоид по-прежнему собирается в сгустки, но разрушать АТФ уже не может. Это подтверждается опытами с мутантными вариантами белка.

И, заключительный аккорд: при структурном анализе мутантных неактивных амилоидов оказалось, что АТФ может сидеть в том же кармане, но «крышка» не захлопывается, и процесс разрушения не идёт.

Стоит отметить лимитации: всё это проведено не в живых клетках или животных, а только в пробирке. Исследованный тип амилоида — полиморф 1А — пока не обнаружен именно в мозге паркинсоников (но похожие структуры описаны). И скорость разрушения АТФ у белковых сгустков гораздо ниже, чем у натуральных ферментов. Так что непонятно, насколько этот механизм работает в реальных нейронах и в реальных формах болезни.

Тем не менее, даже медленная реакция способна превратить окрестности амилоидного «кладбища» в зону энергетического голода. Вся техника клетки (вроде белков-шаперонов, которые как раз используют АТФ, чтобы бороться с этими амилоидами) тут выйдет из строя. Получается порочный круг: сгусток высасывает энергию у тех, кто должен бороться с сгустками.

Это работа меняет взгляд на амилоиды: из пассивных завалов они превращаются в активных энергетических паразитов. Тема интересна не только биохимикам: возможно, именно такая способность белковых «монстров» к разрушению энергетических ресурсов помогает Паркинсону и подобным болезням уничтожать мозг.

Авторы исследования: Lukas Frey, Fiamma Ayelen Buratti, Istvan Horvath, Shraddha Parate, Ranjeet Kumar, Roland Riek и Pernilla Wittung-Stafshede.