Forskare vid The Scripps Research Institute rapporterar resultaten från en färsk studie som tar upp varför olika vävnader i människokroppen varierar i sin känslighet för "amyloid" sjukdomar, som inkluderar Alzheimers sjukdom och en grupp av sjukdomar som kallas familjär amyloidoses.
Den familjära amyloidoses, som forskarna fokuserade sin studie, orsakas av olika mutationer för att ett mänskligt protein som kallas transtyretin (TTR). Dessa mutationer gör transtyretin instabil och predisponerade för misfolding från en normal, trygg struktur till farliga, klibbiga de som glom ihop och bildar mikroskopiska fibriller, som sedan kluster till större amyloida plack som deposition i perifera nerver, organ och ibland i centrala nervsystemet system.
Konstigt, vissa TTR mutationer orsakar fibriller att rikta hjärtat, andra orsakar fibriller bildas i perifera nervsystemet, och ytterligare andra gör att fibriller bildas i tarmen eller i hjärnan. I det senaste numret av tidskriften Cell, är Scripps Research laget som beskriver den kemiska och biologiska grunden för denna vävnad selektivitet.
Det är inte bara, säger forskarna, att vissa vävnader som hjärna är mer mottagliga för de amyloida plack, eftersom de inriktar sig särskilt på felveckade TTR proteiner, utan snarare för att celler som utsöndrar proteiner i dessa vävnader är de som utsöndrar det dåliga proteiner mest effektivt.
"De flesta av de destabiliseras TTR varianter tenderar att vara utsöndras i känsliga vävnader lika effektivt som vanligt TTR proteiner, trots att de väsentligt destabiliseras", säger Scripps Research professor Jeffery W. Kelly, Ph.D., som ledde forskningen med Scripps Forskningsprofessor William E. Balch, Ph.D. Kelly är Lita Annenberg Hazen professor i kemi, en medlem av Skaggs Institutet för kemisk biologi, och vice VD för akademiska frågor vid The Scripps Research Institute.
"Förmågan av cellen för att effektivt frigöra felveckade proteiner ger en slående och oväntade ny bild av driften av cellulära sekretion vägar", säger Balch, som är professor i Scripps Research institutionen för cellbiologi och Institutet för Childhood och försummade sjukdomar. "Dessa resultat tyder på att vi kan rätta till dessa sjukdomar genom att små molekyler som riktar grundläggande regler som styr proteinveckning och Utsöndringsvägarna funktion."
Amyloidos är allt i hur proteinet Veck
I decennier har forskare känt att proteiner har benägenheten att lägga till en viss tredimensionell struktur baserad på viss sekvens av aminosyror i kroppen strängar tillsammans. Forskarna har också känt att strukturen av ett protein är avgörande för proteinets funktion, och att en ovikta protein inte kan vara funktionella. Under de senaste åren har blivit de också alltmer medvetna om faran av proteiners ansamling och misassembly.
Misfolding kan ändra ett protein från något som är användbart till något som är benägen att misassembly, vilket gör det skadliga - även giftiga. Och även som ett ordentligt vikta protein kan vara viktig för människors hälsa, proteiner som felveckade är orsaken till många olika misfolding sjukdomar som Parkinsons, Huntingtons och de sjukdomar amyloid som nämns ovan.
Familjär amyloid polyneuropati (FAP), till exempel, är en samling av mer än 80 sällsynta amyloida sjukdomar orsakade av misfolding av en mutant transtyretin (TTR) protein, som levern utsöndrar i blodomloppet att bära sköldkörtelhormon och vitamin A. Normalt TTR cirkulerar i blodet som en aktiv "tetramer" består av fyra separata kopior, eller subenheter protein, som interagerar med varandra.
Dessa tetramers, normalt består av identiska protein subenheter, kommer från två olika gener. När en av de gener som har en ärftlig defekt, hybrid tetramers form som består av muterade och normala subenheter. Införandet av muterade subenheter gör tetramer mindre stabil och orsakar fyra subenheter att lättare dissociera. När subenheter är gratis, de misfold och återmontera i stavformad amyloidfibrerna. Processen att fibrillbildning orsakar sjukdomen FAP genom att kompromissa perifer nerv och muskel, störa deras funktion och leder till domningar, muskelsvaghet, och - i avancerade fall - fel i autonoma nervsystemet, inklusive mag-tarmkanalen. Den nuvarande behandling för FAP är en levertransplantation, som ersätter den muterade genen med en normal kopia. Dock är små molekyler behandlingar tidigare utvecklat av Kelly laboratoriet testas nu i placebokontrollerade kliniska prövningar.
En liknande sjukdom som kallas familjär amyloid kardiomyopati (FAC), som orsakas av nedfall av ett fåtal varianter av TTR i hjärtat, leder till hjärtsvikt och slutligen hjärtsvikt. Ungefär en miljon afro-amerikaner bär genen som predisponerar dem till FAC. En annan amyloid sjukdom som påverkar hjärtat, senil systemisk Amyloidos (SSA), drabbar uppskattningsvis 10 till 15 procent av alla amerikaner över 80 år och är förenat med deposition av vildtyp TTR.
Likaså är felveckade och misassembled amyloid beta proteiner tros vara en stor aktör inom Alzheimers sjukdom, eftersom de kan samlas in i fibriller och plack som obduktioner avslöjar i hjärnan hos patienter med sjukdomen. Dessa fibriller och plaketter och deras prekursorer är inblandade i neuronala förlust.
Vissa forskare har försökt att konfrontera amyloid sjukdomar i laboratoriet genom att administrera läkemedel för att hämma tillväxten av fibriller från felveckade staten. Detta har dock visat sig ofta ineffektiva eftersom fibrillbildning är starkt gynnad gång en första, felveckade "frö" ROTHÅR former.
För några år sedan utvecklade Kelly och hans kollegor en ny möjlighet att förhindra muterade TTR protein bildas amyloidfibrerna. Istället för att förhindra onormala, felveckade proteiner subenheter från conglomerating och bildar plack, kunde de hindra dem från att bli felveckade och onormala i första hand.
De administrerade små molekyler som är bundna till TTR proteiner och stabiliserade dem i deras naturliga tetrameriskt tillstånd. Detta höll de proteiner viks i sitt rätta formen, vilket gör det svårare för TTR subenheter att skilja, vilket hämmar bildningen av fibriller - en metod som erbjuder lovande för behandling av TTR amyloidoses.
Protein Export, mutationer, och kvalitetskontroll
Medan arbetet verka för nya terapeutiska strategier har fortsatt i Kelly laboratorium, har han och hans kollegor också ställa grundläggande frågor om biologi amyloid sjukdomar. Särskilt är de intresserade av att upptäcka vad som styr uppkomsten, vävnader selektivitet och utvecklingen av dessa sjukdomar.
För att undersöka dessa frågor, etablerade Kelly och hans kollegor ett samarbete med Balch, som har studerat maskiner cell export för ett antal år.
Exportera proteiner är en av de sätt som cellerna i olika vävnader i kroppen upprätthålla specialiserade funktioner. Exempel på vävnad-specifika protein utsöndring i överflöd. Celler i levern utsöndrar rikligt serumproteiner såsom koagulationsfaktorer, albumin och TTR. Celler i huden utsöndrar inflammatoriska proteiner på platsen för en klippa för att avvärja infektioner från bakterier in genom snittet. Celler i de proteiner hjärnan utsöndrar som är involverade i modulerande neurotransmission. Och celler i tarmen utsöndrar proteiner utformade för att smälta proteiner.
Exporten maskineri som driver denna sekretion ligger inne i cellen på invecklade membran cellytan organell kallas endoplasmatiska retiklet. Här är en komplicerad serie av händelser som involverar hundratals olika molekylära komponenter kommer att samlas proteiner i cellen kommer att exportera genom att vika och packas i väntan på sjöfarten.
Som i många andra områden av biologin, var det protein exportförfarande tros spela en roll i att försäkra att proteiner som är problematiska - till exempel de som är benägna att misfolding - inte kommer att utsöndras. Dessa vägar är tänkt att välja och försämra dessa proteiner innan de exporteras.
Forskare har länge antagit att denna process var något analogt med kvalitetskontroller som kan finnas på en montering-line i några allmänna fabriken. En person i vit rock undersöker varje paket eftersom det går ner på linjen, jämför det med en standard, och om något paket är skadat, därefter ignoreras den skadade produkten. Kvalitetskontroll i protein utsöndring var tänkt att fungera på samma sätt: alla proteinprodukter inte jämföra positivt vildtyp stabilitet skulle inte passera kvalitetskontrollen och skulle försämras.
Forskare har länge antagit att termodynamisk stabilitet skulle avgöra om ett protein som TTR skulle utsöndras eller inte. Termodynamisk stabilitet är en indikation på ett protein inneboende tendens att vara i en stat eller en annan - vikta, ovikta eller felveckade. Ett sätt att se på detta är om du har en population av proteiner som är mycket stabila termodynamiskt, så kanske 99 av hundra kommer att vikas korrekt. I en befolkning på mindre termodynamiskt stabila proteiner, kanske bara hälften kommer att vara ordentligt vikta på samma villkor.
Konstigt, Kelly, Balch, och deras kollegor fann att effektiviteten av protein utsöndring inte är korrelerad med den termodynamiska stabilitet TTR. De gjorde cellbaserade experiment och tittade på utsöndringen av 32 TTR varianter, varav 23 som faktiskt har samband med sjukdom sjukdomstillstånd hos patienter.