В лабораторных культурах клеток человека и дрожжей ученые остановили опасное скопление белков FUS, подвергнув их фосфорилированию — процессу, который вносит точные изменения в аминокислотные строительные блоки белков, увеличивая их отрицательный электрический заряд. Исследования показывают, что увеличение заряда заставляет белки отталкиваться, когда они обычно могут агрегироваться.Результаты могут в конечном итоге иметь положительные последствия для лечения БАС — обычно называемого болезнью Лу Герига — и деменции.«Никто не доказал, что вы можете использовать заряд и фосфорилирование как способ получения заряда, чтобы разрушить эти белковые агрегаты, связанные с БАС», — сказал соавтор-корреспондент Николас Фавзи, доцент кафедры молекулярной фармакологии, физиологии и психологии.
Биотехнология в Университете Брауна.Фосфорилирование происходит в клетках по всему телу по разным причинам.
Клетки выполняют это с белками FUS как часть последовательности событий, связанных с повреждением ДНК. В новом исследовании исследователи изучили как естественное фосфорилирование, так и искусственное фосфорилирование путем замены определенных аминокислот в белках FUS.Исследование, проведенное группой исследователей из Брауна, Университета военной службы, Университета Джона Хопкинса, Университета Лихай и Национальных институтов здравоохранения, опубликовано в журнале EMBO Journal.
Шаги исследованияПроект начался в лаборатории Фавзи в Брауне, где он изучал структуру и биофизику FUS и подобных белков, тесно связанных с нейродегенеративными заболеваниями.
Он и со-ведущий автор Вероника Райан, аспирантка нейробиологии Брауна, хотели изучить, как и повлияет ли фосфорилирование на то, как FUS-белки могут собираться вместе, что подрывает здоровье нейронов.Первой задачей было идентифицировать несколько конкретных аминокислотных участков в области, которую FUS использует для связывания с другими белками, где природный фермент ДНК-зависимая протеинкиназа (ДНК-PK) вызывает фосфорилирование.Их сотрудники из Университета военной службы, включая соавтора Захари Монахана и соавтора-корреспондента Фрэнка Шумакера, продолжили работу, подтвердив эти и другие сайты фосфорилирования в FUS, происходящие из человеческих клеток.Выявив более десятка сайтов, команда решила имитировать работу ДНК-ПК в культурах живых клеток.
Команда Монахана и Шумакера сконструировала человеческий FUS в пивных дрожжах, а также реализовала мимикрию фосфорилирования в культуре человеческих клеток.Что они наблюдали в обеих культурах, так это то, что, увеличивая степень фосфорилирования — всего с двух сайтов до 12, — они могут пропорционально снизить склонность белка к агрегации в сгустки.В дрожжевых клетках они показали, что чем более эффективно они предотвращают полную агрегацию — добавляя больше сайтов, имитирующих фосфорилирование, — тем сильнее будут расти колонии клеток. Это открытие продемонстрировало, что скопление FUS токсично для клеток.
Райан, Эбигейл Джанке и его коллеги из Брауна показали, как фосфорилирование нарушает контакты между молекулами FUS. Между тем, компьютерное моделирование эффекта фосфорилирования в структуре белка, проведенное соавтором Джитэйном Митталом из Lehigh, показало, что изменение электрического заряда — это то, что привело к разнице в вероятности агрегации белков.
Терапевтический горизонтФаузи признал, что подход, который использовали ученые в лаборатории, еще не представляет собой практического лечения нейродегенеративных заболеваний, но он сказал, что демонстрация того, что фосфорилирование может использоваться для нарушения агрегации белков, должна мотивировать работу по созданию лечения.
«Не существует терапии или лекарства от БАС и лобно-височной деменции», — сказал Фавзи. «Нам нужны новые гипотезы и новые точки зрения».Фаузи предположил, что, поскольку фосфорилирование является естественным процессом клеток, ключом может быть нахождение «переключателя», чтобы включить его, когда это необходимо.
Он также отметил, что у многих фармацевтических компаний есть очень активные исследовательские группы, посвященные использованию фосфорилирующих ферментов, известных как киназы, такие как DNA-PK.По его словам, будущая терапия должна быть целенаправленной — локализованной в головном мозге в случае лобно-височной деменции или сосредоточенной на двигательных нейронах в случае БАС.
Фосфорилирование FUS в организме в целом может быть вредным, учитывая, что предполагается, что он играет важную роль в помощи клеткам в обработке РНК и может играть роль в восстановлении ДНК.На данный момент сотрудничество сосредоточено на тестировании фосфорилирования конкретно на модели нейродегенеративного заболевания, а не на клетках в целом, сказал Фаузи.