Ученые из Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова и Московского физико-технического института провели исследование, посвященное ранней стадии болезни Альцгеймера, и установили, что большую роль в развитии этого заболевания играет не только белок-предшественник бета-амилоида, но и его расположение в мембране клеток. Известно, что нарушения в работе данного белка приводят к образованию амилоидных бляшек, однако роль липидного окружения в данном процессе до сих пор оставалась невыясненной. Открытие влияния холестерина на структуру и функции данного белка способствует поиску новых методов терапии болезни Альцгеймера. Результат исследования опубликован в журнале Membranes. Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ.
Наиболее распространенной причиной деменции пожилых людей является болезнь Альцгеймера, и число таких пациентов в мире только растет. По данным ВОЗ, к 2050 году деменция будет диагностирована у более чем 130 млн человек. Хотя точные причины возникновения болезни Альцгеймера до сих пор не совсем ясны, установлено, что она тесно связана с работой белка-предшественника бета-амилоида, экспрессируемого нейронами и состоящего из 770 аминокислот. Один из механизмов болезни, приводящих к образованию амилоидных бляшек у мышей, был тщательно исследован ранее. Ученые изучали нарушение аутофагии (естественного процесса уничтожения нежелательных соединений внутри клетки), приводящее к аутофагическим вакуолям, последовательно упаковывающимся в большие мембранные пузырьки и эволюционирующим в старческие амилоидные бляшки.
«Белок-предшественник бета-амилоида отвечает за очень много важных физиологических процессов, связанных с высшей нервной деятельностью: это и память, и иммунный ответ, который формируется внутри головного мозга. Нарушения, которые происходят в цикле работы данного белка, могут приводить к развитию различных нейродегенеративных заболеваний, в первую очередь болезни Альцгеймера. В нашем исследовании мы изучили причины этих нарушений и, главное, установили, какие клеточные факторы влияют на развитие данного заболевания. Ответы на эти вопросы, позволят если не излечить, то хотя бы понимать, какими способами можно облегчить протекание болезни и разработать вспомогательные терапии», — рассказал об исследовании Олег Батищев, доцент кафедры физики живых систем МФТИ.
Ранее группа ученых проводила изучение липидных рафтов — участков мембраны, обогащенных сфинголипидами и холестерином. Исследования показали, как молекулы различной геометрии влияют на образование рафтов. Также был проведен анализ взаимосвязи между наличием данных липидных доменов и болезнями, связанными со старением.
Для решения задач текущего исследования ученые рассмотрели участок белка-предшественника бета-амилоида, который находится внутри клеточной мембраны нейрона. С помощью атомно-силовой микроскопии они провели исследование взаимодействия фрагмента белка, включающего трансмембранный и примембранный участки данного белка, и модельных мембран, содержащих липидные домены с разными концентрациями холестерина. Эксперименты проводились для дикого типа и мутантной формы белка, которая несет большой риск развития болезни Альцгеймера.
«В рамках этой работы мы обнаружили, что положение и глубина залегания фрагмента нашего белка в клетке очень сильно зависят от наличия определенных липидов в мембране. В частности, в нашем случае значительное влияние оказывало содержание холестерина. От его количества зависят многие свойства клеточных мембран, их проницаемость, формирование различных доменов, функционирование мембранных белков. Именно глубина расположения белка-предшественника бета-амилоида в мембране во многом определяет каскад его расщеплений ферментами до различных изоформ бета-амилоидов в норме и формирование патогенных бета-амилоидов при патологии», — отметил Эдуард Бочаров, старший научный сотрудник Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
Также ученые обнаружили, что примембранные участки белка, которые лежат на поверхности клеточной мембраны, формируют достаточно интересный кластер, который выглядит как кольцо. В зависимости от наличия мутаций, связанных с повышенной вероятностью болезни Альцгеймера, они также находятся на разной глубине липидного бислоя.
Изучение белка-предшественника бета-амилоида и его функциональных фрагментов в среде, близкой к липидной структуре клеточной мембраны, раскрывает молекулярные механизмы связывания белка с холестерином и липидными рафтами.
«Мы предполагаем, что нам удалось зафиксировать некое промежуточное состояние перед формированием амилоидных бляшек. В нем определенные участки белка выходят на поверхность, кластеризуются, и дальше вся эта система меняет свою структуру, формируя бета-амилоиды, которые способствуют развитию болезни Альцгеймера. Помимо этого, нам удалось зафиксировать, что липидный состав мембраны, который, как известно, меняется с возрастом, также влияет на положение белка.
Четкое понимание влияния липидного состава поможет разработать диету, которая сможет повлиять на протекание заболевания. Например, полиненасыщенные жирные кислоты сильно влияют на связывание холестерина. Таким образом, через липидную компоненту возможно терапевтически влиять на некие симптомы нейродегенеративных заболеваний. Конечно, более полноценную картину даст исследование полноразмерного белка, но это достаточно трудоемкая работа, которая нам еще только предстоит», — заключил Олег Батищев.
Таким образом, ученые открыли еще один действенный путь для терапии болезни Альцгеймера и показали, как именно липиды могут влиять на предшествующее состояние формирования токсичных агрегатов бета-амилоидов на мембране, которое, по-видимому, приводит к развитию болезни. Это позволяет рассматривать определенные участки белка-предшественника амилоида как потенциальные мишени для лекарственных препаратов, которые раньше даже не принимали во внимание.
Рисунок. Структура липидной мембраны, моделирующей мембрану нейрональных клеток, полученная с помощью атомной силовой микроскопии: (a) — с фрагментами белка-предшественника бета-амилоида, (b) — без фрагмента белка. Источник: Membranes
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, номер проекта 23-74-00024.
