Биология амилоидов: Укладка белков и здоровье человека

1. Биология амилоидов: Укладка белков и здоровье человека Юрий ОлеговичЧернов Санкт-Петербургский государственный университет, Россия Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, USA School of Biology and Institute for Bioengineering and Bioscience

2. УЧАСТНИКИ ПРОЕКТА В СПбГУ Лаборатория биологии амилоидов Ю.О. Чернов, руководитель лаборатории А.А. Рубель, зам. руководителя лаборатории Сотрудники лаборатории Аспиранты и студенты СПбГУ Партнёры в СПбГУ С.Г. Инге-Вечтомов, зав. каф. генетики и биотехнологии Г.А. Журавлёва, проф. каф. генетики и биотехнологии А.П. Галкин, доц. каф. генетики и биотехнологии А.Ф. Сайфитдинова, доц. каф. цитологии и гистологии МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО Georgia Institute of Technology (with participation of Emory University) Atlanta, Georgia, USA Center for Nanobiology of the Macromolecular Assembly Disorders (NanoMAD) Director – Prof. Y. O. Chernoff http://www.nanomad.gatech.edu/

3. АМИЛОИДНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯЧЕЛОВЕКА (не менее 50) Болезнь Альцгеймера Болезнь Паркинсона Связаны с образованием волокнистых упорядоченных белковых агрегатов (амилоидов) Прионовые заболевания (болезнь Кройтцфельдта-Якоба, куру, коровье бешенство) Болезнь Хантингтона Диабет второго типа

4. Амилоидные заболевания Инфекционные (передаются от одного организма к другому) Наследуемые (вызываются мутациями в ДНК) Спорадические (вызываются неизвестными причинами)

5. БОЛЕЗНЬ АЛЬЦГЕЙМЕРА < 1% наследуемых случаев, остальные спорадические У 13% людей старше 65, почти половины людей старше 85 Смертельна и неизлечима 6я по счёту из наиболее частых причин смерти (3я в экономически развитых странах) Единственная для которой число смертельных случаев устойчиво растёт (для сравнения, у рака и сердечных заболеваний – падает) Чем дольше мы живём тем больше будет роль амилоидных заболеваний Amyloid Precursor Protein Amyloid β

6. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СВЯЗАННЫЕ С АМИЛОИДНЫМИ ЗАБОЛЕВАНИЯМИ Многие смертельны, большинство неизлечимы Факторы среды влияющие на эти заболевания мало изучены Профилактические меры не существуют Ранняя диагностика (до появления симптомов) не развита; после появления симптомов, лечить поздно

7. + АМИЛОИДЫ И ПРИОНЫ Амилоиды – самособирающиеся не-ковалентные полимеры идентичных белковых молекулю Нуклеированная полимеризация («кристаллизация в одном измерении») сопровождается изменением укладки иммобилизированной молекулы. Таким образом, амилоидная укладка воспроизводится. Прионы – передающиеся амилоиды Большинство амилоидных заболеваний передаются между клетками, и для некоторых амилоидов в эксспериментальных условиях показана передача между организмами В определённой степени, многие амилоиды – прионы

8. КОРОВЬЕ БЕШЕНСТВО • Появилось в Великобритании в 1986 году Предположительно передалось от овец (у которых и ранее была известна сходная болезнь – скрэпи), потому что овечьи субпродукты использовались в пищевых добавках для коров • Общее число коров инфицированных в ходе эпидемии оценено в 1 миллион (1996). • Красным цветом обозначены страны с высокой частотой коровьего бешенства Мозг бешеной коровы

9. ПРИОНОВЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА Связаны с прионовым белком – PrP; смертельны и неизлечимы. • Болезнь Кройцфельдта-Якоба (CJD) • Спорадическая или наследуемая • Вариантная болезнь Кройцфельдта-Якоба (vCJD) • Инфекционная (от бешеных коров) • Синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера (GSS) • Наследуемая • Смертельная семейная бессонница (FFI) • Наследуемая • Куру • Инфекционная (через ритуальный каннибализм у племени форе Новой Гвинеи)

10. ПОИСК ИНФЕКЦИОННОГО АГЕНТА Первоначально считался вирусом Вируса не могли найти. Агент оказался устойчив к воздействиям разрушающим ДНК, в том числе вирусную (Alper, 1966) ЭКСТРАКТ МОЗГА УФ, РАДИАЦИЯ, НУКЛЕАЗЫ Гипотеза: белок (Griffith, 1967) Предложен терминprion = Proteinaceous infectious particle (Prusiner, 1981) Показано что протеиназо-устойчивый гликопротеин, prion protein (PrP),накапливается в амилоидной форме в поражённых мозгах (Prusinerlab, 1982) К 2010-2011 гг. разным лабораториям удалось показать передачу инфекции лабораторным животным агрегатами белка PrP полученными в пробирке.

11. СТАРЫЙ ВЗГЛЯД НА УКЛАДКУ БЕЛКОВ: Один и тот же белок всегда укладывается в одну и ту же структуру НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА УКЛАДКУ БЕЛКОВ: Один и тот же белок может укладываться в разные структуры

12. “ТЕКСТОВОЕ” И “СТРУКТУРНОЕ” КОДИРОВАНИЕ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ «Текстовая» матрица (ДНК) Структурная матрица (прион)

13. ПРИОНЫ ЧЕЛОВЕКА И МЛЕКОПИТАЮЩИХ – БЕЛКОВЫЕ ИНФЕКЦИОННЫЕ АГЕНТЫ ПРИОНЫ МИКРООРГАНИЗМОВ (ДРОЖЖЕЙ) – НАСЛЕДУЕМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПЕРЕДАЮЩИЕСЯ ЧЕРЕЗ ЦИТОПЛАЗМУ («белковые гены») ПРИОНЫ ДРОЖЖЕЙ – ПРИМЕР БЕЛКОВОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

14. ПРИОНЫ ДРОЖЖЕЙ КОНТРОЛИРУЮТ ФЕНОТИПИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ Белок Sup35 в не-прионовой форме ([psi-]) Белок Sup35 в прионовой форме ([PSI+]) Есть рост Белый Нет роста Красный ЭТИ ДВА ШТАММА ИМЕЮТ ИДЕНТИЧНЫЕ ГЕНОМЫ Они не различаются ни на один нуклеотид НА УРОВНЕ ДНК, ОНИ ТОЧНЫЕ КЛОНЫ ДРУГ ДРУГА У НИХ РАЗНЫЕ ПРИЗНАКИ ЭТИ ПРИЗНАКИ НАСЛЕДУЮТСЯ СТОЛЬ ЖЕ ТОЧНО КАК И ЛЮБЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ РАЗЛИЧИЯ МАЛО ГЕНОМИКИ – НУЖНА ПРИОНОМИКА!

15. МНОГО ЛИ ПРИОНОВ В ПРИРОДЕ? Не менее 1/3 природных и лабораторных штаммов дрожжей имеют прионы. Некоторые из этих признаков важны для адаптации дрожжей (например к условиям производства спирта). Эти данные показывают что прионы широко распространены у дрожжей и связаны с потенциально адаптивными признаками.

16. ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ АМИЛОИДОВ Синтез меланина (тёмного пигмента) у человека и животных Хранение пептидных гормонов у млекопитающих Защита от рыбьей икры от замораживания Взаимодейстие между клетками (биоплёнки) и с субстратом у бактерий и грибов Волокнистые белки – например, паучий шёлк Долговременная память?(Моллюск Aplysiaи плодовая мушка Drosophila) ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АМИЛОИДОВ Самособирающиеся точно воспроизводимые наноструктуры

17. ЕСТЬ ЛИ ПОЛЕЗНЫЕ ПРИОНЫ У ЛЮДЕЙ?

18. ВЫВОДЫ Волокнистые агрегаты неправильно сложенных белков (амилоиды) связаны как с болезнями так и с необычными формами наследственности Амилоидные болезни широко распространены и связаны со старением Амилоиды и прионы – структурные матрицы В геномах разных организмов (включая человека) много белков имеющих потенциальные амилоидные домены

19. ВОПРОСЫ Какова структура амилоидов? Как возникают амилоиды? Как размножаются амилоиды? Сколько амилоидов/прионов у человека? Можно ли использовать дрожжи для изучения амилоидов человека?

20. КАКОВА СТРУКТУРА ПРИОНОВ ДРОЖЖЕЙИ АМИЛОИДА β? ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЙ β-ЛИСТ Новый мономер укладывается в структуру соответствующую предсуществующей «матрице»

21. КАК ВОЗНИКАЮТ АМИЛОИДЫ И ПРИОНЫ? У дрожжей, временное увеличение количества белка может приводить к возникновению амилоидной (прионовой) формы Впервые показано Ю.О. Черновым и соавторами в работе начатой под руководством С. Г. Инге-Вечтомова на кафедре генетики СПбГУ

22. КАК «РАЗМНОЖАЮТСЯ» АМИЛОИДЫ И ПРИОНЫ? Работы Ю.О. Чернова и других лабораторий Прион – агрегат, фрагментируемый шаперонами Обычный амилоидный агрегат

23. СКОЛЬКО АМИЛОИДОВ И ПРИОНОВ У ЧЕЛОВЕКА? У человека есть по крайней мере 250 белков сходных с прионами дрожжей Но есть ещё и другие амилоиды и прионы (например, амилоид β по последовательности не похож на прионы дрожжей) Значит, на самом деле прионов и амилоидов может быть ещё больше

24. ЗАДАЧИЛАБОРАТОРИИ БИОЛОГИИ АМИЛОИДОВ Выявить амилоидогенные белки человека и научиться предсказывать способность белка формировать амилоиды Выяснить какие изменения в белках влияют на возникновение амилоидов Выявить факторы среды и физиологии влияющие на возникновение амилоидов Разработать новые подходы к профилактике и терапии амилоидных болезней основанные на понимании механизме амилоидогенеза