В мозге нашли тысячи невидимых микробелков

Исследователи составили подробный атлас крошечных белков человеческого мозга, которые долго оставались за рамками стандартных генетических баз. Многие из них изменены при болезни Альцгеймера, а некоторые, как показали эксперименты, связаны с энергетическим обменом клеток и работой генов. Однако пока нельзя сказать, что эти молекулы вызывают заболевание: они могут быть и следствием повреждения мозга.

Микробелки обычно состоят менее чем из 150 аминокислот — строительных элементов белка. Из-за небольшого размера их трудно обнаружить стандартными лабораторными методами. Они образуются по коротким участкам генетического кода, которые называются малыми открытыми рамками считывания. Такие участки часто находятся внутри или рядом с крупными генами, поэтому при обычном анализе их активность могут ошибочно приписать основному гену.

Команда Института биологических исследований Солка под руководством Брендана Миллера и Алана Сагателяна искала микробелки в лобной коре — области мозга, особенно затронутой болезнью Альцгеймера. Сначала учёные создали собственную генетическую базу: с помощью секвенирования РНК изучили ткань 12 посмертных человеческих мозгов и добавили найденные инструкции к стандартному справочнику белков.

Затем исследователи проанализировали данные масс-спектрометрии 610 образцов мозга. Этот метод определяет белки по массе их фрагментов. Первичный поиск выявил 4321 микробелок; более 3000 из них отсутствовали в проверенных вручную стандартных базах. Чтобы отсеять ошибки, результаты сопоставили с профилированием рибосом — методом, показывающим, где клеточные «фабрики» белка считывают генетический материал, — и применили программу глубокого обучения PROSIT, предсказывающую вид подлинных белковых фрагментов. После проверки убедительные подтверждения нашлись для 1067 ранее неучтённых микробелков.

Сравнив образцы людей без болезни Альцгеймера и пациентов с симптоматической формой заболевания, команда обнаружила десятки микробелков с изменённым уровнем. Например, микробелка, связанного с геном BCL3, было меньше, а микробелка, связанного с RAB3C, — больше. В лабораторных микроглиях — главных иммунных клетках мозга — эти молекулы сохранялись и занимали определённые участки внутри клеток.

Около половины микробелков, как выяснилось, регулируются независимо от крупных генов, рядом с которыми расположены. При болезни Альцгеймера уровень РНК некоторых микробелков менялся, тогда как РНК соответствующего основного гена оставалась прежней. Это подтвердили на отдельной группе образцов мозга. Вероятным объяснением учёные считают альтернативный сплайсинг: клетка по-разному «сшивает» фрагменты РНК, создавая разные продукты. Рядом с участками такого разрезания обнаружились последовательности, которые привлекают РНК-связывающие белки; механизм, по-видимому, нарушается при нейродегенерации.

Особое внимание уделили микробелку гена MKKS. В стандартных базах главным продуктом этого гена считается крупный белок, связанный с редким нарушением развития. Но в лобной коре взрослого мозга преобладал именно микробелок: масс-спектрометрия выявила тысячи совпадающих с ним фрагментов и почти не обнаружила фрагментов большого белка. Уровень микробелка MKKS был ниже при симптоматической болезни Альцгеймера.

Гены, активные одновременно с микробелком MKKS, оказались связаны с митохондриями — структурами, которые производят энергию в клетке. Чтобы проверить эту связь, исследователи с помощью CRISPR удалили в лабораторных микроглиях участок ДНК, кодирующий микробелок, не затрагивая основной ген. После этого клетки хуже потребляли кислород и вырабатывали энергию. Результат указывает на роль микробелка в клеточном дыхании.

Учёные также проверили псевдогены — изменённые последовательности ДНК, которые обычно считают неработающими. Данные по РНК и рибосомам показали, что некоторые из них всё же производят микробелки. Один такой белок, связанный с псевдогеном ACTBP7, родственен белкам клеточного каркаса. Когда его добавили в лабораторные микроглии, изменилось распределение структурных волокон клетки.

У атласа есть ограничения. Если масс-спектрометрия не обнаружила белок, это не доказывает, что его нет: концентрация может быть ниже чувствительности приборов. Для многих микробелков ещё предстоит точно установить пути образования. Кроме того, изменение уровня молекулы при болезни не означает, что именно она вызывает болезнь: это может быть реакция клетки на повреждение или сбой регуляции. Чтобы отличить причины нейродегенерации от её маркеров, потребуются эксперименты с изменением уровня отдельных микробелков в живых системах.

Исследование «Атлас микробелков лобной коры человека при болезни Альцгеймера» опубликовано в журнале Nature Aging. Среди авторов — Брендан Миллер, Эдуардо Виейра де Соуза, Кэлвин Лау, Джоан М. Вон, Виктор Дж. Пай, Сервандо Хиральдес, Андреа Роша, Джолин К. Дидрих, Клодаг К. О’Ши, Дэвид А. Беннетт и Алан Сагателян.