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Überraschenderweise ist historisch missverstandenes Amyloid für die Bildung des Langzeitgedächtnisses notwendig

Aktives Orb2-Amyloid

Die Atomstruktur des biochemisch aktiven Orb2-Amyloids zeigt die gestapelte dreifache Helixsymmetrie des Filamentkerns. Einschub: Eine Rekonstruktion des Orb2-Amyloid-Filamentkerns wurde unter Verwendung von Kryo-Elektronenmikroskopie in Kombination mit Bildverarbeitung erzeugt. Bildnachweis: Si Lab, Stowers Institute for Medical Research

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler des Stowers Institute for Medical Research und Mitarbeiter die Struktur eines endogen bezogenen, funktionierenden neuronalen Amyloids bei atomarer Auflösung beschrieben. Das Amyloid besteht aus selbstaggregiertem Orb2, der Fruchtfliegenversion des mRNA-bindenden zytoplasmatischen Polyadenylierungselement-bindenden (CPEB) Proteins, das mit der Speicherung des Langzeitgedächtnisses in Verbindung gebracht wurde. Die Ergebnisse dieser Arbeit, online veröffentlicht am 13. März 2020, in Wissenschafthaben einige sehr interessante Implikationen.

„Wir dachten, Amyloide entstehen normalerweise, wenn ein Protein, das aus irgendeinem Grund schlecht geworden oder falsch gefaltet ist, die Amyloidbildung in einem stochastischen, unregulierten Prozess anregt“, erklärt Dr. Kausik Si, Stowers-Forscher und assoziierter wissenschaftlicher Direktor. “Wir haben stattdessen festgestellt, dass sich Amyloide zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt in einer ganz bestimmten Zelle auf ganz bestimmte Weise bilden können.”

Amyloide werden üblicherweise im Zusammenhang mit ihren assoziierten neurotoxischen oder degenerativen Zuständen verstanden. Im Falle des AlzheimerBei Parkinson-, Huntington- und Creutzfeldt-Jakob-Erkrankungen aggregieren Proteine ​​auf abweichende Weise und bilden stabile, unlösliche Ablagerungen, die das Nervensystem zerstören.

Im Jahr 2003 entdeckten Si und sein damaliger Mentor, Dr. Eric Kandel, die Existenz eines Amyloids mit adaptiven Funktionen im Nervensystem, als sie CPEB in der Meeresschnecke untersuchten Aplysia californica. Durch nachfolgende Untersuchungen an Mäusen und der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, Si und andere zeigten, dass die einzigartigen Eigenschaften von CPEB- und Orb2-Protein-Selbstaggregaten (Amyloiden) für ihre ordnungsgemäße Funktion an Synapsen wesentlich waren.

Diese Studien haben gezeigt, dass CPEB / Orb2 in verschiedenen funktionellen und strukturellen Zuständen im Gehirn vorliegt. Die primäre Form ist ein Monomer, das die Translation an Synapsen unterdrückt, aber während das Gedächtnis gebildet wird, ordnen sich diese Monomere selbst zu biochemisch aktiven Aggregaten an, die die synaptische Translation fördern. Dieser Übergang ist für die Speicherpersistenz erforderlich.

“Sie postulierten, dass der Amyloid-Zustand wahrscheinlich wichtig sei, aber bis zu dieser aktuellen Arbeit war nicht eindeutig nachgewiesen worden, dass der physikalische Zustand des Proteins ein Amyloid ist”, erklärt Dr. Ruben Hervas, Erstautor des Papiers und Senior wissenschaftlicher Mitarbeiter im Si Lab.

Hervas studierte während der Graduiertenschule krankheitsverursachende Amyloide. „Ich wollte meinen biophysikalischen Hintergrund nutzen, um die strukturellen Merkmale anderer amyloidbildender Proteine ​​zu untersuchen – der guten“, sagt er.

Nachdem Hervas 2016 in das Labor eingetreten war, waren er und Si sich früh einig, dass der beste Weg, die Struktur von Orb2 zu untersuchen, darin bestand, Protein aus einer endogenen Quelle (viele Fruchtfliegen) anstelle von rekombinantem Orb2 zu verwenden, das aus Bakterien extrahiert wurde – obwohl dies der Fall sein würde viel schwieriger.

Rekombinantes Orb2 ist im Gegensatz zu endogenem Orb2 nicht biochemisch aktiv, erklärt Hervas. “Die ursprüngliche Umgebung, das Nervensystem, ist wichtig, um die aktive Konformation des Proteins sowie seine interessantesten Eigenschaften zu erhalten – in Bezug auf seine Fähigkeit, sich selbst zu aggregieren und eine biochemisch aktive Amyloidstruktur zu bilden, die mit dem Gedächtnis verbunden ist.”

Hervas und das Team standen vor einer zusätzlichen Hürde. “Weil das Protein so groß ist, ungefähr 700

Aminosäuren sind eine Reihe von organischen Verbindungen, die zum Aufbau von Proteinen verwendet werden. Es gibt ungefähr 500 natürlich vorkommende bekannte Aminosäuren, obwohl nur 20 im genetischen Code vorkommen. Proteine ​​bestehen aus einer oder mehreren Ketten von Aminosäuren, die als Polypeptide bezeichnet werden. Die Sequenz der Aminosäurekette bewirkt, dass sich das Polypeptid in eine biologisch aktive Form faltet. Die Aminosäuresequenzen von Proteinen sind in den Genen kodiert. Neun proteinogene Aminosäuren werden als “essentiell” für den Menschen bezeichnet, da sie vom menschlichen Körper nicht aus anderen Verbindungen hergestellt werden können und daher als Nahrung aufgenommen werden müssen.

“class =” glossaryLink “> Aminosäurenes ist nicht leicht zu kristallisieren. Zum Beispiel haben Amyloidstrukturen, die bisher durch Röntgenkristallographie gelöst wurden, nur Peptide verwendet, die aus wenigen Aminosäuren bestehen. “ Hervas fährt fort: “Die Kryo-Elektronenmikroskopie (EM) bot die Möglichkeit, diese Art von Struktur zu lösen.”

In der aktuellen Arbeit haben Hervas und Kollegen Orb2 von ungefähr drei Millionen Erwachsenen gereinigt Drosophila Köpfe. In diesen Proben existierte Orb2 als Monomere, Oligomere oder selbstaggregierte Filamente (Amyloide). Die Forscher bestätigten zunächst, dass die Orb2-Filamente in der Lage waren, eine weitere Filamentbildung auszusäen, und dass die gereinigten Orb2-Formen biochemisch aktiv waren – das heißt, sie konnten die Proteintranslation im monomeren Zustand unterdrücken und die Proteintranslation im Oligomer und Filament aktivieren Zustände.

Ihre herkulischen Bemühungen zahlten sich aus. Mit Kryo-EM und Proben mit einer Reinheit von über 97% konnten Hervas und Kollegen die Struktur von endogen auflösen Drosophila Orb2 bei einer Auflösung von 2,6 Angström. Sie fanden heraus, dass endogenes Orb2 dreifach symmetrische Amyloidfilamente bildete, die etwa 75 Nanometer lang waren. Sie bestätigten, dass Orb2 in Cross-Beta-Amyloid-Strukturen aggregiert, und entdeckten, dass die haarnadelartige Falte seiner Protofilamentkerne, die aus 31 Aminosäuren besteht, über hydrophile Grenzflächen gepackt ist.

Diese Arbeit lieferte auch eine teilweise Antwort auf eine sehr wichtige Frage: Wie ist es möglich, dass Amyloide eines neuronalen Proteins zur Speicherung des Gedächtnisses beitragen, wenn Amyloide im Allgemeinen mit Gedächtnisverlust verbunden sind? In ihrer Arbeit kamen die Autoren zu dem Schluss, dass der hydrophile Kern von Orb2-Filamenten im Gegensatz zum hydrophoben Kern pathogener Amyloide nahe legt, wie einige neuronale Amyloide ein stabiles, aber regulierbares Substrat des Gedächtnisses sein könnten.

“Dieser Befund verändert die Art und Weise, wie wir über die Faltung und Assemblierung von Proteinen denken”, sagt Si. „Wir denken jetzt über Biologie: Sie haben ein Gen, Sie bilden eine Reihe von Aminosäuren, und sobald ein Polypeptid hergestellt ist, ist es so programmiert, dass es in eine Konformation übergeht, da eine bestimmte Funktion damit verbunden ist. Wenn es von diesem Pfad abweicht, ist ein System da, um es zu entfernen. Diese Arbeit legt jedoch nahe, dass eine Zelle manchmal zulässt, dass dasselbe Protein eine völlig andere Konformation bildet. Wie macht es das? Wann macht es das? “

Die Konformationsflexibilität einiger Proteine ​​eröffnet die Möglichkeit, dass ein Protein je nach Konformationszustand mehr als eine Funktion hat – ein Phänomen, das Si und seine Labormitglieder gerne in Zukunft untersuchen möchten.

Während Speicher Assays in Drosophila Hervas und Kollegen freuen sich darauf, festzustellen, ob solche funktionellen Amyloide auch im Nervensystem von Mäusen und Menschen vorhanden sind, insbesondere weil das Nervensystem des Menschen besonders anfällig für Krankheiten auf Amyloidbasis ist. Bei Mäusen und Menschen gibt es vier CPEB-Isoformen mit jeweils mehreren Varianten, erklärt Hervas. “Einige spezifische Isoformen in Mäusen sind auch wichtig für die Gedächtniskonsolidierung, und diese sind in der Proteinsequenz nahezu identisch mit entsprechenden menschlichen Isoformen.”

„Wir beginnen mit CPEB-Proteinen zu arbeiten, die aus dem menschlichen medialen Temporallappen extrahiert wurden, einer Struktur, in der sich lang anhaltende Erinnerungen befinden. Wir beabsichtigen, die Struktur zu lösen und dann mithilfe von Mausmodellen möglicherweise die Verbindung zwischen Gedächtnis und Proteinstruktur herzustellen. “

„Das Gehirn ist eines der Systeme, die sich am meisten entwickelt und diversifiziert haben, als Organismen komplexer wurden“, reflektiert Si. „Aber wenn man sich die Anzahl der beteiligten Proteine ​​ansieht, hat sich das nicht dramatisch geändert. Eine Möglichkeit besteht darin, dass komplexere biologische Systeme diesen Konformationsraum nutzen, um mehr Funktionen zu erzeugen. Anstatt neue Proteine ​​zu kreieren, könnte eine neue Form neue Funktionen schaffen. “

Weitere Mitautoren dieser Arbeit sind Younshim Park vom Stowers Institute; Michael J. Rau und James A.J. Fitzpatrick, PhD, von der Washington University in St. Louis; und Wenjuan Zhang, PhD, Alexey G. Murzin, PhD, und Sjors H.W. Scheres, PhD, vom MRC Laboratory of Molecular Biology.

Diese Arbeit wurde zum Teil vom Stowers Institute for Medical Research und vom UK Medical Research Council finanziert (Auszeichnung MC_UP_A025_1013 an S.H.W.S.).

Zusammenfassung der Ergebnisse

Es wird allgemein angenommen, dass Proteine ​​eine einzelne Form oder “Faltung” annehmen, und die Form eines Proteins bestimmt seine Funktion. Einige Proteine ​​können jedoch eine Sekundärform annehmen, die als “Amyloid” bezeichnet wird, wenn sie sich selbst zusammensetzen. In der Vergangenheit wurden Amyloide als nicht funktionsfähig und sogar krankheitsverursachend angesehen, insbesondere im Gehirn, wie im Fall der Alzheimer-Krankheit.

Überraschenderweise haben Arbeiten von Kausik Si, PhD, vom Stowers Institute for Medical Research und anderen gezeigt, dass ein Protein, das für die Bildung und Persistenz des Langzeitgedächtnisses notwendig ist und Orb2 genannt wird, möglicherweise die Form eines Amyloids annehmen kann Teil seiner normalen und notwendigen Funktion. Es war jedoch nicht nachgewiesen worden, dass Orb2 im Gehirn als echtes Amyloid existiert, da seine Struktur bisher unbekannt war.

Ein Bericht des Si Lab und seiner Mitarbeiter, online veröffentlicht am 13. März 2020 in Wissenschafthat auf atomarer Auflösung die Struktur von Orb2 charakterisiert, das aus seiner natürlichen Quelle (dem Gehirn von Millionen von Fruchtfliegen) gereinigt wurde, und gezeigt, dass es tatsächlich als funktionelles Amyloid im Gehirn existiert. Diese von Ruben Hervas, PhD, geleitete Studie ist das erste Mal, dass ein Amyloid mit einer bekannten biologischen Funktion aus dem Gehirn heraus gereinigt und strukturell beschrieben wurde. Interessanterweise fördert die Amyloidfalte (selbstorganisiert) von Orb2 die Produktion von gedächtnisbezogenen Proteinen, während die monomere Faltung (einzelnes Protein) von Orb2 die Produktion von gedächtnisbezogenen Proteinen hemmt, was darauf hinweist, dass ein Protein durch Übernahme mehrere Funktionen übernehmen kann mehrere Formen.

Diese Ergebnisse werfen zwei interessante Möglichkeiten auf, die im Si Lab weiter verfolgt werden – die Möglichkeit, dass ein solches funktionierendes neuronales Amyloid auch beim Menschen existiert, und die Möglichkeit, dass andere Proteine, von denen bekannt ist, dass sie spezifische Funktionen haben, Amyloidzustände erreichen können alternative Funktionen.

Referenz: “Kryo-EM-Struktur eines neuronalen funktionellen Amyloids, das an der Gedächtnispersistenz in Drosophila beteiligt ist” von Ruben Hervas, Michael J. Rau, Younshim Park, Wenjuan Zhang, Alexey G. Murzin, James AJ Fitzpatrick, Sjors HW Scheres und Kausik Si, 13. März 2020, Wissenschaft.
DOI: 10.1126 / science.aba3526