Die Struktur des Amyloid-Proteins gibt Hinweise auf die Ursache seltener Krankheiten

Forscher der UAB haben mithilfe hochauflösender Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) die Struktur von Amyloidfasern bestimmt, die durch das Protein hnRNPDL-2 gebildet werden, das an Gliedergürtel-Muskeldystrophie Typ 3 beteiligt ist. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Unfähigkeit des Proteins, Amyloidfasern zu bilden, und nicht die Aggregation, die Ursache der Krankheit sein würde. Dies ist die erste Amyloidstruktur, die von einem spanischen Forscherteam mit hoher Auflösung bestimmt wurde.

Die Studie, erschienen in Naturkommunikationinformiert über die Suche nach Molekülen, die die Amyloidbildung stabilisieren oder erleichtern, und öffnet die Tür zur Untersuchung anderer funktioneller Amyloide und ihrer Mutationen unter Verwendung derselben Technik, um ihre Auswirkungen auf Gesundheit und Krankheit besser zu verstehen.

Gliedergürtel-Muskeldystrophie Typ 3 (LGMD D3) ist eine seltene Erkrankung, die eine fortschreitende Muskelschwäche verursacht, die durch Punktmutationen im hnRNPDL-2-Protein verursacht wird. Als Mitglied der Familie der RNA-assoziierten Ribonukleoproteine ​​(RNP) ist es ein wenig bekanntes Protein mit der Fähigkeit, sich zu funktionellen Amyloidstrukturen zusammenzufügen. Amyloide entstehen durch die Verbindung von Tausenden von Stücken desselben Proteins zu sehr stabilen und strukturierten Fasern (Proteinaggregaten). Ihre Bildung wird oft mit Krankheiten wie Parkinson und Alzheimer in Verbindung gebracht, sie werden aber auch von verschiedenen Organismen für funktionelle Zwecke genutzt, obwohl die Zahl der beim Menschen beschriebenen funktionellen Amyloide noch gering ist.

Forscher der Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) haben festgestellt, dass die Architektur und Aktivität der Amyloidfasern darauf hindeutet, dass es sich um stabile, ungiftige Amyloidfasern handelt, die Nukleinsäuren in ihrem aggregierten Zustand binden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es sich bei LGMD D3 um eine Protein-Loss-of-Function-Krankheit handeln könnte: Die Unfähigkeit, die in der Studie beschriebenen Amyloidstrukturen zu bilden, würde die Pathologie verursachen.

„Unsere Studie stellt die Hypothese in Frage, dass die Aggregation dieses Proteins die Ursache der Krankheit ist, und schlägt vor, dass es die Unfähigkeit ist, eine fibrilläre Struktur zu bilden, die von der Evolution ausgewählt wurde, um Nukleinsäuren zu binden, die die Pathologie verursacht“, sagt Salvador Ventura, Professor für Biochemie und Molekularbiologie und Forscher am Institut für Biotechnologie und Biomedizin (IBB-UAB), der die Forschung zusammen mit dem Erstautor der Arbeit, Javier Garcia-Pardo, einem Forscher der Juan de la Cierva-Incorporación am IBB, leitete. UAB.

Forscher haben die Struktur der Amyloidfasern des Proteins hnRNPDL-2 mit hochauflösender Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) bestimmt. Dies ist die erste Struktur eines menschlichen funktionellen Amyloids, das durch das vollständige Protein gebildet wird, das mit dieser Technik gelöst werden kann – zuvor waren nur Strukturen gelöst worden, die aus Fragmenten dieser Proteine ​​gebildet wurden. Es ist auch die erste Amyloidstruktur, die von einem spanischen Forscherteam mit hoher Auflösung bestimmt wurde.

Die Struktur des Proteins unterscheidet sich von der anderer pathologischer Amyloidproteine ​​dadurch, dass es einen stark hydrophilen Kern hat, der die mit LGMD D3 assoziierte Aminosäure enthält. Anders als bei anderen Erkrankungen ist die Amyloidbildung hier nicht toxisch, sondern für die Funktion des Proteins notwendig.

Die Ergebnisse ändern das Konzept über den Ursprung der Krankheit und wie sie behandelt werden sollte, sagen die Forscher. „Früher dachten wir, dass LGMD D3, wie bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen, entstanden ist, weil Mutationen bei Patienten dazu führten, dass das ursprünglich lösliche Protein Aggregate bildet, und daher könnte die Suche nach Anti-Aggregat-Molekülen eine potenzielle Therapie sein. Jetzt wissen wir das wäre ein Fehler, da die falsche Bildung der Faser die Krankheit auszulösen scheint; daher wären Moleküle, die diese Struktur stabilisieren oder ihre Bildung erleichtern, am besten geeignet“, sagt Salvador Ventura.

Verständnis der molekularen Strukturen von Amyloiden

Bestimmte menschliche Amyloide können sowohl eine funktionelle als auch eine pathologische Aggregation erfahren, und es ist daher notwendig, ihre molekularen Strukturen zu verstehen, um ihre charakteristischen Eigenschaften und Funktionen zu bestimmen. Zum Beispiel sind RNPs, die den in dieser Forschung untersuchten ähnlich sind, wie hnRNPA1 oder FUS, in der Lage, als Reaktion auf zellulären Stress funktionelle Amyloidfasern zu bilden, aber sie können auch für Krankheiten verantwortliche Mutationen beherbergen. Diese Proteine ​​sind durch eine modulare Architektur gekennzeichnet, einschließlich einer oder mehrerer Nukleinsäurebindungsdomänen, zusammen mit ungeordneten Regionen, die für die Bildung ihres Zusammenbaus zu funktionellen oder pathologischen Amyloidstrukturen verantwortlich sind.

„In den letzten Jahren wurden die Strukturen verschiedener Amyloidfasern, die durch Fragmente von RNPs gebildet werden, aufgeklärt. Diese Anordnungen müssen jedoch nicht unbedingt mit denen übereinstimmen, die im Zusammenhang mit vollständigen Proteinen angenommen wurden, wie dies bei der für hnRNPDL-2 erhaltenen Struktur der Fall ist in unserer Gruppe gelöst“, erklärt Salvador Ventura. „Tatsächlich unterscheidet sich unsere Struktur erheblich von früheren und stellt einige der Annahmen in Frage, die hinsichtlich der Regulation dieser Proteine ​​in Zellen als gültig angesehen wurden“, betont er.

Spezielle Techniken zur Auflösung funktioneller Amyloide

Um die Struktur von hnRNPDL-2 in seinem zusammengesetzten Zustand aufzulösen, verwendete das Forschungsteam die Kryo-EM-Technik, wobei es spezielle Techniken anwendete, um Amyloidstrukturen aufzulösen.

In den letzten zwei Jahren wurde eine beträchtliche Anzahl von Amyloidfaserstrukturen mit dieser Technik gelöst, aber diese entsprechen hauptsächlich pathologischen Amyloiden, die an systemischen und neurodegenerativen Erkrankungen beteiligt sind.

„Unsere Entdeckung unterstreicht die Leistungsfähigkeit von Kryo-EM, um die Funktion von RNPs und die Gründe für ihre Verbindung zu Krankheiten zu untersuchen. Diese Proteine ​​​​wurden bisher wenig untersucht, aber sie werden mit Krankheiten wie Alzheimer, Muskeldystrophien, Krebs usw. in Verbindung gebracht neurologische Entwicklungsstörungen und neuropsychiatrische Störungen. Unser Ziel ist es daher, die mit dieser Technik gewonnenen Erfahrungen zu nutzen, um die fibrillären Zustände anderer funktioneller Amyloide zu bestimmen und die Auswirkungen von Mutationen zu untersuchen, um ihre Auswirkungen auf Gesundheit und Krankheit besser zu verstehen.“ sagt Salvador Ventura.

Die Entwicklung dieser neuen Technologie an der UAB wird es Forschern ermöglichen, die kürzlich installierte Kryo-EM-Plattform am Alba-Synchrotron zu nutzen, dessen Partner die Universität ist. Die Lösung dieser Art von Struktur erfordert viel Rechenleistung. Die IBB-Forschungsgruppe Proteinfaltung und Konformationskrankheiten unter der Leitung von Salvador Ventura hat gerade einen Hochleistungscomputer für diese Berechnungen angeschafft.