Белок-свалка и надежда на память

Исследователи обнаружили фермент GRK2, который при болезни Альцгеймера скапливается на митохондриях — клеточных структурах, вырабатывающих энергию, — и нарушает их работу. В экспериментах на мышах химические соединения, препятствовавшие скоплению фермента или помогавшие удалить его агрегаты, замедляли потерю памяти и гибель клеток мозга. Результаты опубликованы в журнале Cell Reports Medicine.

Болезнь Альцгеймера связана с накоплением в мозге неправильно свернутых белков. Среди наиболее известных — бета-амилоид, образующий бляшки, и тау-белок, формирующий клубки. Эти скопления мешают работе нервных клеток и со временем приводят к ухудшению памяти и других когнитивных функций.

Команда под руководством Джошуа Абд Аллы и Урсулы Квиттерер из ETH Zurich изучила фермент GRK2 — киназу 2, связанную с G-белковыми рецепторами. В здоровой клетке он обычно находится в цитоплазме, внутренней жидкой среде клетки, где участвует в регулировании сигналов и реакции на стресс. Но после присоединения химической метки в процессе фосфорилирования GRK2 меняет поведение и может перемещаться к митохондриям.

Учёные исследовали мозг генетически модифицированных мышей с симптомами, похожими на болезнь Альцгеймера, в том числе старых животных с выраженным накоплением бета-амилоида. У них значительная часть GRK2 образовала крупные нефункциональные скопления, сосредоточенные на митохондриях. Такой же рисунок исследователи обнаружили в образцах мозга четырёх пациентов с деменцией, вероятно связанной с болезнью Альцгеймера. И у мышей, и в человеческих образцах скопления GRK2 сопровождались нарушением работы митохондрий и усилением окислительного стресса — повреждающего действия химически активных молекул.

Лабораторные эксперименты показали, что бета-амилоид и токсичные формы тау-белка могут запускать фосфорилирование и скопление GRK2. Это указывает на возможный порочный круг: характерные для болезни белки повреждают митохондрии через GRK2, а возникшие нарушения могут ускорять накопление новых патологических белков.

В мозге мышей GRK2 связывался с TOMM6 — белком, который помогает переносить вещества через наружную мембрану митохондрий. В норме активный GRK2 присоединяет к TOMM6 химическую метку, поддерживающую его стабильность и работу. Скопившийся и изменённый GRK2 неактивен и этого не делает. В результате TOMM6 тоже начинает агрегировать и хуже взаимодействует с порами митохондрий.

Затем исследователи генетически изменили мышей, заставив их вырабатывать разные варианты GRK2. Животные с неактивной склонной к скоплению формой фермента получили тяжёлые повреждения митохондрий, быстрое накопление бета-амилоида и умирали раньше. Напротив, дополнительное количество активного GRK2 защищало мышей от этих признаков и повышало их выживаемость.

В отдельном эксперименте мышам добавили генетически больше TOMM6, чтобы компенсировать его потерю из-за скоплений. Крупных бета-амилоидных бляшек стало меньше, однако выросло содержание растворимой формы бета-амилоида. Она оказалась токсичной для клеток мозга, и смертность животных увеличилась.

Поскольку простое увеличение TOMM6 принесло вред, команда попыталась воздействовать на причину нарушения с помощью препаратов. Первое соединение, CPD10, разработали для стабилизации GRK2 и предотвращения его перехода в склонную к скоплению форму. Компьютерное моделирование показало, что CPD10 преимущественно связывается с активным, не фосфорилированным GRK2. Это смещает равновесие в пользу нормальной формы фермента и затрудняет его фосфорилирование и последующую агрегацию.

Старым мышам с моделью болезни Альцгеймера давали CPD10 в течение шести месяцев. Соединение проникало в мозг и предотвращало скопление GRK2 на митохондриях. У леченных животных митохондрии были здоровее, бета-амилоидных бляшек и токсичного тау-белка было меньше, а гибель клеток мозга происходила слабее, чем у мышей без лечения. В тесте водного лабиринта получавшие препарат мыши лучше сохраняли пространственную память.

Второй подход должен был не предотвращать новые скопления, а убирать уже существующие. Для этого создали CPD57, повышающий активность протеасомы — клеточной системы утилизации повреждённых и ненужных белков. Соединение связывается с входом в протеасому и действует как открыватель ворот, позволяя перерабатывать больше белковых отходов.

После 14 дней применения CPD57 у старых мышей исследователи обнаружили усиление работы протеасомы и разрушение скоплений GRK2 и TOMM6. При применении в течение шести месяцев соединение также замедляло накопление бета-амилоидных бляшек и уменьшало признаки клеточного старения. В целом результаты указывают, что воздействие на скопления белков разными способами может защищать мозг животных.

До испытаний на людях ещё далеко. Мышиные модели не полностью воспроизводят болезнь Альцгеймера у человека, а анализ человеческой ткани охватил всего четырёх пациентов. Образцы получили во время операций по поводу опухолей мозга, поэтому они дали редкую возможность изучить химию живого мозга, но не позволяют судить о распространённости скоплений GRK2 среди пациентов в целом. Нужны более крупные исследования.

Неясно и то, что именно в первую очередь вызывает повреждение: скопившийся на митохондриях GRK2 или нехватка активного фермента в других частях клетки. Авторы считают, что дальнейшие эксперименты, в том числе с организмами, полностью лишёнными GRK2, помогут разобраться в механизме. Оба соединения ещё должны пройти масштабные проверки безопасности и эффективности, прежде чем их можно будет рассматривать для клинических испытаний.

Исследование «Analysis of GRK2 aggregation in the pathology of Alzheimer disease in animal models» (Анализ скопления GRK2 при патологии болезни Альцгеймера в моделях на животных) выполнили Джошуа Абд Алла, Александр Пергал, Сюэбинь Фу, Андреас Лангер, Яссер эль-Фарамауи и Урсула Квиттерер.