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

УЧАСТНИКИ ПРОЕКТА В СПбГУ Лаборатория биологии амилоидов Ю.О. Чернов, руководитель лаборатории А.А. Рубель, зам. руководителя лаборатории Сотрудники лаборатории Аспиранты и студенты 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 Center for Nanobiology of the Macromolecular Assembly Disorders (NanoMAD) МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО Director – Prof. Y. O. Chernoff Georgia Institute of Technology (with participation of Emory University) Atlanta, Georgia, USA Партнёры в СПбГУ

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

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

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

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 ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СВЯЗАННЫЕ С АМИЛОИДНЫМИ ЗАБОЛЕВАНИЯМИ

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

КОРОВЬЕ БЕШЕНСТВО Появилось в Великобритании в 1986 году Предположительно передалось от овец (у которых и ранее была известна сходная болезнь – скрепи), 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

ПРИОНОВЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА 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) Связаны с притоновым белком – PrP; смертельны и неизлечимы.

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

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

«Текстовая» матрица (ДНК) ТЕКСТОВОЕ И СТРУКТУРНОЕ КОДИРОВАНИЕ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Структурная матрица (притон)

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

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

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

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 Aplysia и плодовая мушка Drosophila) ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АМИЛОИДОВ Самособирающиеся точно воспроизводимые наноструктуры

ЕСТЬ ЛИ ПОЛЕЗНЫЕ ПРИОНЫ У ЛЮДЕЙ?

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 притоны – структурные матрицы В геномах разных организмов (включая человека) много белков имеющих потенциальные амилоидные домены

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

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

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

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

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

ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРИИ 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