Studiu evidențiază eșecul curățării celulare în bolile neurodegenerative
În fiecare celulă, o operațiune de curățare funcționează non-stop.
Proteinele sunt constant afectate de uzură. Unele pot fi reparate, în timp ce altele trebuie demontate și reciclate. Atunci când acest sistem eșuează, proteinele deteriorate se acumulează în aglomerări asociate cu boli precum Escleroză Laterală Amiotrofică (ALS) și Demență Frontotemporală.
Un nou studiu publicat în The EMBO Journal de către Nirbhik Acharya și Carlos Castañeda, profesor asociat de biologie și chimie la Colegiul de Arte și Științe al Universității Syracuse, dezvăluie o parte esențială a modului în care funcționează acest sistem de curățare și ce anume se întâmplă greșit în caz de boală.
Cercetătorii au studiat proteina Dsk2 din drojdie, care funcționează similar cu ubiquilin-2 uman, ce transportă proteinele deteriorate către mașinăria de reciclare a celulei. Când acest proces de transport se întrerupe, proteinele afectate se pot acumula, un semn distinctiv al ALS.
Dsk2 oferă o fereastră asupra regulilor fundamentale care ghidează modul în care acest sistem funcționează în diverse specii.
Pentru a urmări aceste reguli în acțiune, echipa a folosit spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară, o metodă ce permite observarea modificărilor structurale subtile la nivel atomic pe măsură ce o proteină se mișcă și interacționează cu alte molecule.
Descoperirile au fost remarcabile. Sub stres, Dsk2 se restructurează și se leagă de moleculele vecine pentru a forma condensate biomoleculare. Acestea sunt clustere temporare, asemănătoare unor picături, unde proteinele deteriorate sunt adunate și pot fi procesate. Deoarece aceste clustere se asamblează și se descompun prin numeroase interacțiuni mici și reversibile, celula poate construi sau distruge aceste aglomerări la cerere.
La baza acestui mecanism se află o regiune pliată numită domeniul STI1, având o formă asemănătoare unui clește. Segmentele scurte în spirală din alte părți ale proteinei se introduc și se scot din această crestătură, legându-se temporar, apoi eliberându-se. Acest proces permite interacțiunea diferitelor părți ale aceleași molecule și facilitează legarea mai multor molecule Dsk2 în clustere. Importanța acestei arhitecturi a devenit evidentă atunci când cercetătorii au eliminat Dsk2 sau doar segmentele sale spirale. Celulele au avut dificultăți în a forma clustere, ceea ce a dus la un control funcțional deficitar al calității proteinelor.
Studiul dezvăluie, pentru prima dată, cum caracteristicile structurale specifice din Dsk2 determină formarea acestor condensate în celulele vii.
Împreună, patru echipe au conectat structura moleculară, comportamentul simulativ și răspunsurile celulelor în condiții reale. Datele lui Castañeda au fost completate de simulările computerizate din laboratorul lui Shahar Sukenik de la Departamentul de Chimie al Universității Syracuse, unde cercetătoarea postdoctorală Jessica Niblo a contribuit la modelarea comportamentului Dsk2, și de experimentele pe celule realizate de Jeroen Roelofs și studenta sa de doctorat, Emily Daniel, de la Centrul Medical al Universității Kansas, care au testat impactul modificărilor Dsk2 asupra celulelor de drojdie aflate sub stres. Colaborarea cu laboratorul lui Daniel Kraut de la Universitatea Villanova a reconstituit clusterele Dsk2 cu mașinăria de reciclare a proteinelor.
Rezultatele obținute pe celulele de drojdie sunt întărite de un set paralel de experimente. În timp ce echipa lui Castañeda a studiat mecanismul în celule vii de drojdie, colaboratori conduși de Matthew Wohlever de la Universitatea din Pittsburgh au utilizat cristalografia cu raze X pentru a captura prima imagine structurală detaliată a unui domeniu STI1 de ubiquilin. Cercetătorii au descoperit că mutațiile asociate cu ALS interferează cu modul în care funcționează clema STI1, sugerând un potențial eșec în sistemul de reciclare a proteinelor al celulei.
Cele două studii, publicate consecutiv în The EMBO Journal, oferă perspective complementare asupra aceluiași mecanism. Lucrările pe drojdie arată cum se desfășoară acesta în interiorul celulelor vii, iar cercetările structurale dezvăluie contactele moleculare care îl fac posibil. Împreună, sugerează că acest sistem reprezintă o strategie fundamentală pe care celulele se bazează.
Castañeda și Wohlever au discutat datele preliminare la o întâlnire anuală a Societății Americane pentru Biochimie și Biologie Moleculară. „Ne-am dat seama că am observat un mecanism molecular similar funcționând atât în drojdie, cât și în versiunile umane ale ubiquilin,” afirmă Castañeda. „Am avut un moment de revelație care a impulsionat ambele proiecte înainte.”
Această descoperire conturează mai bine modul în care este organizat sistemul de reciclare a proteinelor al celulei și cum anumite perturbări subtile ale acestei organizări pot contribui la apariția bolilor. Pentru oamenii de știință care studiază neurodegenerarea, aceste lucrări reprezintă un pas important în înțelegerea a ceea ce se întâmplă atunci când echipa de curățare a celulelor nu funcționează corespunzător.
„Începem să înțelegem regulile,” afirmă Castañeda.
O provocare viitoare, sugerează el, este să învățăm cum să intervenim atunci când aceste reguli se descompun. Deoarece problemele de aglomerare a proteinelor apar în multe boli neurodegenerative, acest mecanism ar putea reprezenta o țintă comună pentru terapiile viitoare.
