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A proteína LRRK2 é um alvo terapêutico chave para a doença de Parkinson

Uma proteína indescritível que muitas considerassem a chave inteiramente de compreender as causas da doença de Parkinson genética veio muito mais claramente no foco.

Impactar milhões em todo o mundo, Parkinson é uma desordem neurológica que ataque progressivamente funções de motor, conduzindo a dano durável no movimento e na coordenação, entre outras áreas.

Os pesquisadores que estudam as causas preliminares da doença focalizaram em mutações da proteína conhecida como a quinase leucina-rica 2 da repetição, ou em LRRK2. Compreender como LRRK2 interrompe o funcionamento normal foi difícil devido a uma falta da informação na estrutura da proteína.

Desde que LRRK2 é um alvo principal da droga, os esforços para decifrar a arquitetura de LRRK2 incluíram mesmo amostras de lançamento no espaço como uma maneira de usar condições da microgravidade para ajudar a crystalize amostras da proteína, mas sem o sucesso.

Agora, os cientistas de San Diego da Universidade da California que usam tecnologias da vanguarda produziram os primeiros visualizações de LRRK2 dentro de seu ambiente celular natural e do primeiro modelo de alta resolução da proteína.

Leveraged estas descrições para descrever como os ligamentos LRRK2 às trilhas celulares chamaram microtubules e actuam como um corte de estrada para os motores que se movem ao longo destas trilhas. Os resultados são descritos em dois artigos de investigação publicados nos jornais pilha e natureza.

“Estes dois papéis tomam passos gigantes para desenvolver uma terapêutica mais eficaz para a doença de Parkinson, que impacta tão muitas vidas,” disseram a divisão do decano Jogo Pogliano das ciências biológicas, PhD, um professor na secção da biologia molecular.

“Combinar a microscopia do cryo-elétron com a imagem lactente viva da pilha permite que os pesquisadores ver proteínas trabalhar dentro das pilhas e a mais ràpida para determinar como as drogas potenciais afectam sua função. Isto acelerará a descoberta da droga e fornecerá a esperança nova àquelas que sofrem desta doença debilitante.”

LRRK2: um alvo terapêutico chave para a doença de Parkinson

Sabido como uma quinase, LRRK2 é um tipo de enzima que adiciona etiquetas químicas do fosfato a outras proteínas, influenciando sua função. As mutações LRRK2 são a causa principal de formulários herdados da doença de Parkinson, mas os pesquisadores não compreendem inteiramente como esta enzima funciona normalmente ou em estados da doença.

As respostas a tais perguntas foram levadas a cabo vigorosa, especialmente porque as quinase são um dos alvos farmacológicos os mais estabelecidos para a terapêutica. Desde que o gene LRRK2 foi clonado primeiramente em 2004, houve uma quantidade enorme de esforço devotada a visá-la para o tratamento de Parkinson.

Susan Taylor, uma autoridade mundialmente famosa nas quinase, reconhecidas que a experiência em Uc San Diego estêve serida idealmente abordar este problema. Com apoio do Michael J. Fox Fundação https://www.michaeljfox.org, uma equipe internacional, incluindo pesquisadores através de Uc San Diego, expor para estudar LRRK2 usando tecnologias novas.

Um modelo celular de LRRK2 em microtubules

Como descrito no papel da pilha, os pesquisadores de Uc San Diego conduzidos pela casa de campo de Elizabeth, o PhD, e seus colegas leveraged a tecnologia inovador nova conhecida como o tomografia do cryo-elétron (cryo-E), uma modalidade da microscopia do cryo-elétron (cryo-EM), ver LRRK2 em seu ambiente natural dentro das pilhas e descrever sua estrutura a nível previamente despercebido.

Em muitos casos, quando os pesquisadores procuram determinar a estrutura de uma proteína, começam isolando a proteína fora das pilhas. Ao usar o cryo-EM, os cientistas congelam as moléculas em uma camada fina de gelo, preservando sua estrutura, e determinam sua estrutura na alta resolução. Em lugar de, as pilhas congeladas imagens da equipe da casa de campo que contêm as moléculas sob o estudo, tomando representam em ângulos diferentes, um tanto como uma varredura de CAT.

“Nós levantamos a capa para olhar dentro da pilha nas moléculas congeladas travadas em pleno acto da interacção um com o otro em lugares diferentes na pilha,” disse a casa de campo, que notou o significado de co-desenvolver os instrumentos pioneiros usados no estudo com Fisher Thermo esforços consideráveis científicos e de Uc San Diego em estabelecer uma facilidade cryo-EM nova no terreno.

“Nós usamos feixes do elétron e de íon como um sabre claro para soprar partes ausentes da pilha. No meio nós deixamos um indicador que contivesse as moléculas que nós estamos interessados na vista.”

Os pesquisadores igualmente usaram a fotomicroscopia para encontrar as moléculas dentro das pilhas, e ferramentas de modelagem computacionais avançadas para desenvolver um modelo integrative de alta resolução de um mutante LRRK2. Seus dados revelaram LRRK2 limitado às estradas celulares, chamadas os microtubules, decorando as em uma geometria stunningly regular e inesperada, e previram que a quinase de LRRK2 se assemelhou a um estado da “ultrapassagem” conhecido para ocorrer na doença de Parkinson.

“Esta combinação de técnicas novas poderosas foi aplicada pela primeira vez nesta pesquisa e tornou possível obter os primeiros relances na estrutura de um mutante LRRK2, com o benefício adicionado de seu contexto celular,” disse a casa de campo.

“Ao nosso conhecimento é a estrutura a mais de alta resolução de uma proteína humana que seja determinada dentro das pilhas antes de usar ferramentas bioquímicas convencionais. Nós estamos trazendo a estrutura à biologia celular.”

Um modelo molecular de LRRK2

A fim compreender como LRRK2 trabalha a nível químico e para projectar a terapêutica, uma estrutura mesmo mais de alta resolução é exigida para revelar a posição dos átomos e como interage com as drogas potenciais.

No estudo de natureza, o Samara co-superior Reck-Peterson dos autores, o PhD, e Andres Leschziner, PhD, olharam mais profundo a estrutura e a função de LRRK2 e teamed acima com grupo da casa de campo para determinar como LRRK2 interage com os microtubules.

Usando o cryo-EM, a equipe de Leschziner capturou a imagem-à-tâmara a mais detalhada da estrutura de LRRK2, para baixo ao nível atômico. Stefan Knapp, um professor na universidade de Goethe em Francoforte Alemanha, e seu grupo era igualmente instrumental como determinaram como fazer LRRK2 maleável para o trabalho estrutural.

A estrutura compreendeu a extremidade do negócio da proteína -; qual inclui a peça que etiqueta outras proteínas com os fosfatos. Os lugar das mutações decausa de todo o Parkinson principal são encontrados nesta estrutura.

Em seguida, o grupo de Leschziner combinou sua estrutura com a casa de campo e veio acima com um modelo que explicasse como LRRK2 liga aos microtubules.

“Você pode pensar da peça da quinase de LRRK2 como um pouco como Pacman, pode estar ou aberta ou fechado,” disse Leschziner, professor na Faculdade de Medicina de Uc San Diego e na divisão de ciências biológicas.

Nossa modelagem sugeriu que, quando encadernada aos microtubules, a quinase precisasse de estar em um estado fechado, indicando que a forma da quinase pode regular o emperramento de LRRK2 aos microtubules. Teaming acima com o laboratório de Reck-Peterson nós decidimos testar directamente este modelo.”

Leschziner, professor, Faculdade de Medicina, divisão de ciências biológicas, Universidade da California San Diego

LRRK2 é um corte de estrada para os motores moleculars

Os Microtubules são a especialidade de Reck-Peterson. E sua equipe estão interessadas nos motores moleculars que transportam a carga ao longo dos microtubules, e em como os defeitos neste transporte causam doenças neurodevelopmental e neurodegenerative humanas.

Reck-Peterson e sua equipe quiseram saber se a interacção de LRRK2 com microtubules pôde ser prejudicial para as máquinas moleculars que se movem nelas e se levam cargas essenciais de um lugar para outro nas pilhas.

Sua equipe descobriu que LRRK2 cria os cortes de estrada que param estas máquinas moleculars. Igualmente mostraram que algumas drogas que visam a quinase de LRRK2 aumentam este efeito, quando outro o diminuírem.

Quando Leschziner e Reck-Peterson não forem certos ainda se os cortes de estrada jogam um papel na doença de Parkinson, seus resultados já têm implicações para o projecto das drogas terapêuticas que trabalham inibindo LRRK2. Seu trabalho aponta à possibilidade que os inibidores da quinase que o domínio próximo da quinase de LRRK2 pôde conduzir ao efeito indesejável de obstruir o movimento dos motores moleculars.

“Não é ainda claro que papel LRRK2-microtubule-binding joga na doença de Parkinson,” disse Reck-Peterson, professor na Faculdade de Medicina de Uc San Diego e na divisão de ciências biológicas e de um investigador do Howard Hughes Medical Institute.

“Mas o que nós temos agora são celulares e os modelos moleculars, e isso são o que é necessário figurar para fora que LRRK2 faz e para ajustar as drogas terapêuticas que visam LRRK2.”

Source:
Journal reference:

Deniston, C. K., et al. (2020) Structure of LRRK2 in Parkinson’s disease and model for microtubule interaction. Nature. doi.org/10.1038/s41586-020-2673-2.