Симулятор динаміки агрегації амілоїд-бета

Звідки береться амілоїд-бета: від APP до пептиду

Амілоїд-бета не існує як самостійний генетичний продукт; він виділяється з набагато більшого мембранно-зв’язуючого білка, який називається амілоїдним попередником (APP), що міститься в мембранах нейронів по всьому мозку. Його нормальна фізіологічна функція досі повністю не зрозуміла, але вважається, що вона включає розвиток та відновлення синапсів. APP є об’єктом двох конкуруючих ферментативних шляхів. У домінуючому, не-амілоїдній шляху, фермент під назвою альфа-секретаза перерізає білок посереди майбутнього амілоїд-бета послідовності, руйнувавши здатність утворювати патологічний пептид і замість цього вивільняючи безневинні фрагменти. У амілоїдному шляху бета-секретаза (BACE1) спочатку перерізає APP на одному кінці, а потім багатопротеїновий комплекс під назвою гамма-секретаза перерізає на другій позиції, вивільняючи незмінний пептид амілоїд-бета, зазвичай з 40 або 42 амінокислотних одиниць, в екстрацелюлярному просторі. Форма з 42 одиницями, яка називається амілоїд-бета 42, виробляється в менших кількостях, ніж форма з 40 одиницями, але набагато схильніша до агрегації, оскільки два додаткові гідрофобні амінокислоти збільшують її схильність до самоасоціації, і вона постійно зустрічається в обогащеній амілоїдних плівках пропорції відносно її виробництва в здорових тканинах. Мутації в генах, що кодують APP або в білках пресіліну, які утворюють каталітичний ядро гамма-секретази, є відомою причиною рідкісних ранніх сімейних форм хвороби Альцгеймера, і майже всі ці мутації збільшують загальне виробництво амілоїд-бети або специфічно зміщують співвідношення до більш схильної до агрегації форми з 42 одиницями, що надає сильні генетичні докази того, що утворення амілоїд-бета є причиннимupstream процесом, а не просто маркер захворювання.

Фізика кінетики нуклеації-продовження

Математика, що описує агрегацію амілоїду-бета, спирається безпосередньо на класичну теорію нуклеації, яка вперше була розроблена для пояснення утворення кристалів і пізніше адаптована біофізиками для самозбірання білків. Під час фази залишку окремі мономєри спонтанно та тимчасово асоціюються в невеликі, термодинамічно нестабільні кластери; більшість цих кластерів знову розпадаються до того, як досягають критичного розміру, і лише дуже рідко один залишається стабільним ядром, здатним служити шаблоном для подальшого росту, тому ця фаза повільна та здається майже плашкою, коли масу агрегату відображають відносно часу. Після того, як існує кілька стабільних ядер, реакція переходить у фазу продовження, де мономєри набагато легше додаються до кінців існуючих фібрил, ніж нові ядра утворюються з нуля, оскільки вже відкрита поверхня фібрили забезпечує сприятливий структурний шаблон, що призводить до швидкого зростання маси агрегату. Критичний механізм підсилення, який називається вторинною нуклеацією, прискорює це ще більше: поверхня існуючих фібрил сама може каталізувати утворення нових ядер з вільно плаваючих мономерів, що означає, що реакція фактично починає самостійно розповсюджуватися експоненціально, а не росте лише на кінцях фібрил, відкриття якого було зроблено завдяки детальному кінетичному моделюванню дослідниками, включаючи Туома Кноулеса та його колег у 2010-х роках. Зрештою крива вирівнюється в фазі насичення, коли резерв вільно плаваючі мономєри вичерпано, а агрегація та будь-які конкуруючі процеси дисоціації досягають рівноваги. Ця загальна S-подібна траєкторія – повільний залишок, різке зростання, потім рівновага – є кінетичною сигнатурою, яка широко поширена серед білків, що утворюють амілоїд, включаючи альфа-синуклеїн при хворобі Паркінсона та білок Пріон, роблячи кінетику нуклеації-продовження єдиним теоретичним каркасом для багатьох нейродегенеративних захворювань.

Олігомери проти Фібрідів: Яка з цих форм насправді завдає шкоди

Протягом десятиліть домінуючою гіпотезою в дослідженнях хвороби Альцгеймера вважалося, що великі, нерозчинні амілоїдні плями, видимі під мікроскопом, є основним токсичним агентом, який пошкоджує нейрони. Однак цей погляд суттєво переглянуто за останні двадцять років. Післяmortem дослідження неодноразово показували лише слабку кореляцію між загальною масою плям та тяжкістю когнітивного упадку, який відчував пацієнт протягом життя, а також деякі когнітивно здорові літні люди під час розтину мали значні відкладення плям. Ця невідповідність змусила зосередити увагу на менших, розчинних проміжних структурах, що називаються олігомерами – тимчасових кластерах, утворених від кількох одиниць до кількодвома десятками мономерів, які формуються під час затримки та раннього подовження перед тим, як організовуватися в високоорганізовані, видовжені фібрили, що зрештою з’єднуються в видимі плями. Розчинні олігомери, зокрема добре вивчений клас – ліганди, похідні від амілоїду (ADDLs), – показали експериментально, що вони зв'язуються з синаптичними мембранами, порушують синаптичну пластичність та довготривале потенціювання, а також викликають окисне стрес і дисрегуляцію кальцію всередині нейронів при концентраціях, які значно нижчі за ті, що необхідні для утворення видимих плям, корелюючи набагато тісніше з порушеннями пам’яті в тваринних моделях, ніж масова плям. У рамках цієї переглянутої моделі зрілі фібрили та плями насправді можуть частково виконувати функцію захисного резервуару, утримуючи більш небезпечні розчинні олігомери в відносно інертній, нерозчинній формі. Ця олігомерно-орієнтована точка зору суттєво змінила стратегію розробки ліків, змусивши багато фармацевтичних програм відходити від простого розчинення існуючих плям до запобігання утворенню олігомерів або нейтралізації олігомерів до того, як вони можуть формувати фібрили.

Хелати та природний захист клітини від агрегації

Клітини не є пасивними спостерігачами при неправильному згортанні білків; вони розгорнули широку мережу контролю якості молекулярних хелатів, яка має на меті визначити виявлені гідрофобні поверхні на неправильно скомбінованих або схильних до агрегації білках, допомагаючи їм правильно згортатися або утримувати їх у неагрегатному стані до тих пір, поки вони не будуть розщеплені. У контексті амілоїду β, екстрацелюлярні хелати, такі як кластерін (також відомий як аполіпопротеїн J) та альфа-2-макроглобулін, безпосередньо зв’язуються з мономерами амілоїду β та ранні олігомерні форми, стерічно блокуючи конкретні молекулярні поверхні, які в іншому випадку б служили шаблоном для подальшого утворення нуклеації та розширення фібрил, таким чином подовжуючи лаг-фазу та сповільнюючи загальну криву агрегації в лабораторних кінематичних дослідженнях. Всередині клітини теплошвидкісні білки, включаючи невеликі теплошвидкісні білки, такі як Hsp27 і альфаB-кристаллін, можуть аналогічно зв’язуватися з проміжними агрегатами та пригнічувати їх ріст, хоча екстрацелюлярне розташування амілоїду β робить кластерін та пов'язані з ним виділені хелати особливо важливими для утворення бляшок. Ця природна система захисту хелатами не є просто лабораторною цікавістю: дослідження глобальної асоціації генів ідентифікували варіанти в гені CLU, який кодує кластерін, як один із найсильніших генетичних факторів ризику пізнього віку при хворобі Альцгеймера поза APOE геном, що свідчить про те, що індивідуальні відмінності в ефективності хелату помітно впливають на реальний ризик захворювання. Цей біологічний внесок безпосередньо надихнув клас експериментальних терапевтичних засобів, розроблених для підвищення природної активності хелатів або введення штучно створених молекул-хелатоподібних та антитіл, які аналогічним чином зв’язуються та нейтралізують олігомери амілоїду β до того, як вони зможуть ініціювати подальшу агрегацію, підхід, механічно пов'язаний з антиамілоїдними монокловальними антитілами, включаючи леканемамб та Aducanumab, які нещодавно отримали схвалення регуляторних органів.

Розв’язаний Приклад: Як Виявили та Перевірили Гіпотезу про Амілоїд

Гіпотеза про амілоїд бере свої початки з 1984 року, коли дослідники Джордж Гленнер і Кейн Вонг вперше очистили та хімічно просеквували основний білковий компонент цереброваскулярних амілоїдних відкладень у пацієнтів з хворою Альцгеймера, визначивши його як новий пептид вагою 4 кілодальтони, що відрізнявся від будь-якого раніше відомого білка, і це дослідження протягом кількох років призвело до ідентифікації та клонування батьківського гена APP багатьма незалежними групами. Генетичне підтвердження відбулося швидко: у 1991 році дослідники виявили перші мутації гена APP, що викликають ранній сімейний варіант хвороби Альцгеймера, які були зосереджені безпосередньо біля сайтів розщеплення бета- та гамма-секретази, надаючи прямий генетичний зв’язок між виробництвом амілоїду β та захворюванням. Протягом 1990-х і 2000-х років Джон Гарді та Денніс Селкоє формалізували ці спостереження в гіпотезу про амілоїдний каскад, припускаючи, що накопичення амілоїду β є початковим етапом, який запускає ланцюгову реакцію утворення тангліїв тау, запалення та загибелі нейронів. Ця гіпотеза була перевірена експериментально в численних *in vitro* кінетичних дослідженнях, де очищений синтетичний пептид амілоїду β був інкубований у пробірці поряд з флуоресцентним барвником під назвою тиофлавін Т, який специфічно зв’язується з перехресно-бета-листковим структурою, характерною для амілоїдних фібрил, і значно збільшує свою флуоресценцію в міру прогресування агрегації, дозволяючи дослідникам побудувати точну симоддальну криву затримки-продовження-пік, яка є центральною для цієї моделі, та кількісно вимірювати, як мутації, хапальні білки, температура та концентрація мономерів кожен зміщують цю криву. Десятки років таких експериментів, у поєднанні з нещодавнім клінічним успіхом антитіл, які очищають амілоїд, що помірно сповільнили когнітивне зниження у пацієнтів на ранніх стадіях захворювання, підтримували гіпотезу про амілоїд в центрі досліджень хвороби Альцгеймера, навіть коли науковці все більше визнають її як один важливий елемент ширшого, багатофакторного процесу захворювання, а не єдиною причиною деменції.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Amyloid-Beta Aggregation Kinetics Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.