Исследователи Института цитологии РАН (ИНЦ РАН) установили, что зрелые амилоидные фибриллы, накапливающиеся при болезнях Альцгеймера и Паркинсона, а также системных амилоидозах, не являются стабильными «конечными продуктами» агрегации белка. Оказалось, что со временем такие образования могут самопроизвольно трансформироваться и разрушаться, и этот процесс учёные назвали «старением» амилоидов. Полученные результаты показывают, что «возраст» фибрилл необходимо учитывать как при оценке их патогенности, так и при разработке антиамилоидной терапии. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Cell Death Discovery.
Амилоидные фибриллы представляют собой упорядоченные белковые агрегаты, накопление которых нарушает работу органов и тканей при ряде тяжёлых патологий, включая нейродегенеративные заболевания, системные амилоидозы и сахарный диабет второго типа. Благодаря особой кросс-β структуре эти агрегаты обладают исключительной механической и термодинамической стабильностью. Именно поэтому амилоидные отложения долгое время рассматривались как инертные, практически неразрушимые образования, способные персистировать в организме на протяжении многих лет и даже десятилетий.
Сотрудники ИНЦ РАН решили выяснить, действительно ли сформировавшиеся фибриллы настолько стабильны и изменяются ли они со временем. Для этого была использована упрощенная бесклеточная модель: два структурно различных типа амилоидных фибрилл лизоцима, отличающихся склонностью к образованию плотных кластеров, инкубировали в водной среде при физиологической температуре в течение 16 месяцев.
«Мы намеренно отказались от сложной биологической среды, чтобы выделить и изучить собственное, зависящее только от времени поведение зрелых амилоидов. Оказалось, что мы имеем дело не с инертными и “застывшими”, а с динамическими, изменяющимися структурами: на протяжении эксперимента фибриллы постепенно распадались на отдельные волокна, укорачивались и деполимеризовались до отдельных белковых молекул», – рассказывает ведущий научный сотрудник Лаборатории структурной динамики, стабильности и фолдинга белков ИНЦ РАН Анна Сулацкая.
С применением комплекса микроскопических, спектроскопических, электрофоретических и колориметрических методов учёные установили, что «старение» амилоидов сопровождается разрыхлением плотных кластеров, укорочением фибрилл и постепенным накоплением мономерного белка. Этот процесс оказался двухфазным: активное разрушение в первые месяцы сменялось выраженным замедлением примерно после 10 месяцев инкубации. При этом уменьшение количества упорядоченных агрегатов сопровождалось значительным снижением токсичности образцов для целого ряда клеточных линий человека.
Наряду с этим исследователи сравнили восприимчивость «постаревших» и свежеподготовленных («молодых») амилоидов к воздействию клеточных и внеклеточных деградирующих факторов. Образцы обрабатывали шапероноподобным белком альфа-B-кристаллином и тремя ферментами иммунной системы: катепсином B, катепсином D и матриксной металлопротеиназой-9. Оказалось, что тонкие фибриллы и их фрагменты, накапливающиеся в ходе «старения», разрушаются этими факторами значительно эффективнее, чем «молодые» агрегаты. При этом более эффективное разрушение «постаревших» амилоидов привело к неожиданному результату: токсичность продуктов деградации для клеток человека не только не снижалась, но в ряде случаев даже возрастала. Учёные связывают это с тем, что неполное разрушение фибрилл приводит к образованию не безвредных мономерных белковых молекул, а биологически активных фрагментов амилоидов с сохраненной или даже усиленной способностью повреждать клетки.
«Наши данные показывают, что зрелые амилоидные агрегаты — это не статичные „конечные продукты“ неправильного сворачивания белков, а динамические структуры, чей „возраст“ может влиять на их биологические свойства. Особенно важно, что деградация „постаревших“ фибрилл клеточными факторами не снижает их цитотоксичность, а в ряде случаев даже усиливает её. Это означает, что при разработке современных терапевтических стратегий, включая иммунотерапию, необходимо учитывать временную эволюцию амилоидов и тот факт, что продукты их частичной деградации могут сохранять или даже усиливать повреждающее действие на клетки», – поясняет научный сотрудник Лаборатории морфологии клетки ИНЦ РАН Максим Сулацкий.
Исследования выполнены при поддержке гранта Российского научного фонда (№ 23-74-10092).