Структурные предпосылки агрегации β-амилоидного пептида

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурные предпосылки агрегации в-амилоидного пептида

Агрегация пептидов и белков в нерастворимые фибриллы (амилоидоз) является причиной более 25 конформационных заболеваний Homo sapience, включая такие наследственные патологии, как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, различные системные амилоидозы [1, 2]. Полагают, что агрегационные свойства белков, в частности в-амилоидного пептида, обусловлены их микроокружением, избыточной локальной концентрацией и наличием небольших амилоидогенных фрагментов аминокислотной последовательности в их составе [3]. Механизм образования токсичных олигомеров и более крупных инертных агрегатов этого пептида до сих пор остается непонятым. В связи с этим моделирование трехмерной структуры в-амилоидного пептида в нативной конформации, закодированной в детерминирующей его нуклеотидной последовательности, поиск структурных предпосылок его агрегации и анализ механизмов отдельных этапов этого процесса является актуальной задачей исследования.

Материалы и методы

Для моделирования трёхмерной структуры в-амилоидного пептида 1-40 и его патогенной формы в-амилоидного пептида 1-42 были проанализированы фрагменты нуклеотидной последовательности для белка предшественника амилоида (Y00264 - Human amyloid A4 precursor of Alzheimer's disease) из базы данных EMBL (табл. 1А).

Наличие возможных элементов вторичной структуры в в-амилоидном пептиде 1-40(42) изучали используя таблицу генетического кода пространственной организации белка (табл. 2). Эта таблица является авторским обобщением композиционного кода А.Ю. Кушелева и топологического кода В.А. Карасёва [4, 5].

Числа 1, 2, 3 и 4 соответствуют типичным вариантам угла поворота последующего аминокислотного остатка полипептидной цепи относительно предыдущего в таких элементах вторичной структуры белка, как виток б-спирали (4/10 и 3/10), в-зигзаг в-складчатого слоя или в-поворот неупорядоченной части полипептида (табл. 3).

Визуализацию трёхмерной структуры белка осуществляли с помощью графического редактора Ggenedit.exe. В алгоритм данной программы заложено соответствие между значениями композиционного кода и углами между смежными аминокислотными остатками (табл. 3), что позволяет по нуклеотидной последовательности декодировать вторичную и смоделировать трёхмерную структуры белка.

Для оценки адекватности построенных трёхмерных моделей в-амилоидного пептида 1-40 и 1-42 использовали PDB файлы из депозитария RCSB PDB (Protein Data Bank).

Результаты и их обсуждение

Запишем нуклеотидную последовательность в-амилоидного пептида 1-40 в виде ряда значений композиционного кода. Его анализ выявил 13 кодонов со значением 1 или 4 (32.5% нуклеотидной последовательности), но только три из них, располагаясь последовательно, кодируют виток б-спирали 3/10 (табл. 1.Б). Данный виток детерминируют кодоны операторов-антисвязности (табл. 2). Поэтому, предсказанный в этом пептиде виток б-спирали 3/10 не имеет возможности быть реализованным в элемент вторичной структуры, поскольку его не стабилизируют водородные связи.

Следующим шагом в изучении пространственной организации в-амилоидного пептида 1-40 было исследование наличия внутримолекулярного фрагмента антипараллельного в-складчатого слоя. Для этого провели анализ нуклеотидной последовательности детерминирующей этот пептид с целью выявления кодонов аминокислотных остатков со значением композиционного кода 2. Варианту в-зигзага соответствует 14 кодонов, что составляет 35% всего пула триплетов нуклеотидов (табл. 1.Б). Однако возможность образовать водородные связи с формированием фрагмента антипараллельного в-складчатого слоя не реализуется ни у одного из них, поскольку в пространственной структуре в-амилоидного пептида 1-40 они не сближаются между собой с замыканием водородных связей. Такое положение вещей связано с тем, что поворот полипептидной цепи на 180о не закодирован в нуклеотидной последовательности в-амилоидного пептида 1-40 и поэтому в-зигзаги не имеют возможности расположиться параллельно друг другу (рис. 1А). На рисунке 1.Б представлена трёхмерная структура в-амилоидного пептида 1-42, смоделированная аналогичным образом (табл. 1).

Вывод об отсутствии закодированных элементов вторичной структуры в в-амилоидном пептиде не противоречит данным UniProtKB. На схеме вторичной структуры белка предшественника амилоида (Amyloid beta A4 protein) участок, соответствующий в-амилоидному пептиду, позиционирован белым пятном, что свидетельствует об отсутствии элементов вторичной структуры в данном пептиде (рис. 2).

В депозитарии RCSB PDB (Protein Data Bank) находится 20 структур для фрагментов и молекул в-амилоидного пептида 1-40(42), построенных по результатам ядерного магнитного резонанса и рентгеноструктурного анализа. Трудность сравнительного анализа этих структур с моделью пептида, построенной по детерминирующей его нуклеотидной последовательности, определяется отсутствием PDB файла в Protein Data Bank для отдельно взятой молекулы в-амилоидного пептида в нативной конформации. Это обусловлено не растворимостью в-амилоидного пептида в водных средах. Например, PDB файлы 1hz3, 1qcm, 1nmj включают только небольшие фрагменты в-амилоидного пептида, а файл 1z0q хотя и позволяет визуализировать структуру всей молекулы в-амилоидного пептида 1-42, но в виде полипептида с фрагментами б-спирали, что не соответствует его пространственной организации, детерминированной нуклеотидной последовательностью, а является следствием растворения образца в растворе трифлуорэтанола - TFA (рис. 3).

В данном исследовании мы также попытались смоделировать агрегацию в-амилоидного пептида. Особый интерес представляет прогнозирование на основании анализа нуклеотидной последовательности потенциальной способности формирования в-складчатого слоя между двумя молекулами пептида, в качестве одного из механизмов агрегации. Очевидно, что при трансляции белка предшественника амилоида и фолдинге его большой полипептидной цепи гидрофобный участок, содержащий в-зигзаги в С-концевой области в-амилоидного пептида, находится в гидрофобном окружении глобулы предшественника. Процессинг белка предшественника амилоида приводит к выщеплению в-амилоидного пептида и переходе последнего в гидрофобное или гидрофильное окружение. При этом гидрофобные аминокислотные остатки стремятся ограничить свой контакт с полярной средой, встраиваясь в липопротеины либо мембраны. Стабилизация гидрофобных С-концов в гидрофильном окружении вероятна при агрегации молекул в-амилоидного пептида, что должно приводить к формированию между ними в-складчатого слоя. Рассмотрим роль структурных предпосылок в агрегации в-амилоидного пептида:

1. удлинение пептида на два аминокислотных остатка,

2. наличие отрицательно заряженных аминокислотных остатков в N-концевой области пептида, определяющих взаимодействие с катионами металлов.

Влияние двух дополнительных С-концевых аминокислотных остатков на агрегационную способность в-амилоидного пептида. Оценим способность к агрегации для N- (Asp1-Lys28) и С- (Gly29-Val40) доменов в-амилоидного пептида 1-40. N-домен содержит 12 в-зигзагов, которые потенциально способны формировать в-складчатый слой, и 8 (29%) гидрофобных аминокислотных остатка, способствующих межмолекулярному гидрофобному взаимодействию (табл. 1). Однако в этом домене имеется 43% гидрофильных аминокислотных остатков, препятствующих агрегации. Для С-домена выявлено 2 в-зигзага, 8 (73%) гидрофобных и отсутствие гидрофильных аминокислотных остатков, что свидетельствует о его склонности к агрегации в гидрофильном окружении. Кодоны 41-го и 42-го аминокислотных остатков в-амилоидного пептида 1-42 детерминируют Ile и Ala, которые усиливают гидрофобность С-домена и его способность к формированию межмолекулярного в-складчатого слоя благодаря появлению ещё одного в-зигзага на этом участке.

В настоящее время нет экспериментальных свидетельств формирования межмолекулярного параллельного в-складчатого слоя при агрегации в-амилоидных пептидов. Однако, теоретически в-амилоидный пептид имеет структурные предпосылки формировать параллельный межмолекулярный в-складчатый слой при димеризации (табл. 4). Такая возможность для в-амилоидных пептидов 1-40 и 1-42, а также их смеси (табл. 4: 1), на наш взгляд, имеет шансы быть реализованной только между их С-доменами. Между N-доменами в-слой вообще не возможен, поскольку несмотря на перекрывания в-зигзагов и гидрофобных участков, трудно себе представить сближение на расстояние длины водородной связи одноимённо заряженных радикалов гидрофильных аминокислотных остатков этих пептидов.

Формирование межмолекулярного антипараллельного в-складчатого слоя не характерно для в-амилоидных пептидах 1-40, поскольку в их С-доменах не наблюдается параллельного совмещения в-зигзагов, детерминированных кодоном со значением композиционного кода 2 (табл. 4: 2). Наиболее вероятно формирование антипараллельного в-складчатого слоя в в-амилоидном пептиде 1-42, поскольку его участки формируются между параллельно сориентированными в-зигзагами, расположенными на концах С-доменов и обрамляющих 3 гидрофобных перекрывающихся участка (табл. 4: 3).

Аргументом в пользу образования именно антипараллельного в-складчатого слоя является тот установленный факт, что в-амилоидный пептид 1-42, в отличие от своего более короткого аналога, играет роль затравки в процессе агрегации [6]. Какие же структурные особенности патогенного в-амилоидного пептида 1-42 являются наиболее значимыми для этого? Проанализируем механизм рекрутирования в-амилоидного пептида 1-40 в агрегаты, затравкой которых выступает в-амилоидный пептид 1-42 (табл. 4: 4). Формирование межмолекулярного антипараллельного в-складчатого слоя в гетеродимере в-амилоидных пептидов 1-40/1-42 является промежуточным вариантом между рассмотренными выше гомодимерами этих пептидов (табл. 4: 2 и 3). Однако, если учесть, что в-амилоидный пептид 1-42 образуется в существенно меньшем количестве, по сравнению с его более коротким аналогом, то преобладающим типом агрегатов будут гетеродимеры или более крупные агрегаты (тетрамеры), в которых в качестве затравки (центра кристаллизации) выступает патогенный в-амилоидный пептид 1-42, рекрутирующий молекулы в-амилоидного пептида 1-40 (рис. 4).

Исходя из модели структуры агрегата с межмолекулярным антипараллельным в-складчатым слоем можно предположить стерическое ограничение для числа молекул в-амилоидного пептида его формирующих. Стерическим ограничением в данном случае является такое количество N-доменов агрегирующих пептидов, которое может разместиться в окружности с центром на оси в-слоя и радиусом, соизмеримым с размером самого N-домена (в первом приближении речь идёт о тетрамере).

Наши рассуждения согласуются с экспериментальными данными Otzen D.E. и соавт., который продемонстрировал формирование тетрамеров рибосомального белка S6 из Thermus thermophilus в результате образования межмолекулярного антипараллельного в-складчатого слоя. Агрегацию этого белка обусловливает гидрофобный фрагмент, гомологичный С-домену в-амилоидного пептида [7].

Итак, структурной предпосылкой агрегации путём образования антипараллельного в-складчатого слоя является наличие и параллельная ориентация в-зигзагов в гидрофобной области полипептида. На примере в-амилоидного пептида 1-42 можно наблюдать, что одновременное усиление гидрофобности и обогащение в-зигзагом при удлинении на 2 С-концевых аминокислотных остатка, обусловливает повышение агрегационной способности всего пептида, по сравнению с в-амилоидным пептидом 1-40.

Роль отрицательно заряженных аминокислотных остатков в N-концевой области в-амилоидного пептида, определяющих взаимодействие с Cu2+ или Zn2+. Агрегаты в-амилоидного пептида, формирующиеся за счёт межмолекулярного антипараллельного в-слоя между С-доменами, как было показано выше, имеют стерические ограничения для количества мономеров белка в олигомере. Вероятно дальнейшее укрупнение агрегатов происходит в результате взаимодействия N-доменов в-амилоидного пептида при участии катионов меди или цинка путём кооперативного взаимодействия с отрицательно заряженными His6, His13 и His14 данных доменов (рис. 5). Этот процесс приводит к формированию амилоидных протофибрилл, которые состоят из бусинок олигомеров в-амилоидного пептида. Наша модель согласуется с экспериментально (ЯМР и ЭПР) установленными данными о наличии координационных сайтов связывания катионов металлов во фрагменте в-амилоидного пептида 1-28 [8].

Таким образом, в настоящем исследовании на примере в-амилоидного пептида проанализированы структурные предпосылки агрегации белков и пептидов, которые обусловливают формирование межмолекулярного в-складчатого слоя или межмолекулярных комплексов с катионами двухвалентных металлов в качестве ведущего механизма олигомеризации.

пептид агрегация токсичный

Выводы

1.Трехмерная структура в-амилоидного пептида детерминирована определённым участком нуклеотидной последовательности в составе гена белка предшественника амилоида и следовательно может быть декодирована.

2.В нуклеотидной последовательности в-амилоидного пептида не закодированы элементы вторичной структуры белка.

3.Агрегация в-амилоидного пептида происходит благодаря наличию закодированных структурных предпосылок в С-домене этого белка путем формирования межмолекулярного антипараллельного в-складчатого слоя.

4.Гетеродимеры в-амилоидного пептида 1-40(42) образуют протофибриллы при участии катионов цинка и меди.

Список литературы

пептид агрегация токсичный

1.Selkoe D.J. Folding proteins in fatal ways // Nature. - 2003. - V. 426. - P. 900-904.

2.Ещенко Н.Д. Биохимия психических и нервных болезней. - Изд. Санкт-Петерб. гос. университета, 2004.

3.Esteras-Choro A., Serrano L., Lopes de la Raz M. The stretch hypothesis: recruiting proteins toward the dark side // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2005. - V. 102, № 46. - Р. 16672--16677.

4.Кушелев А.Ю., Полищук С.Е., Неделько Е.В. и др. Построение масштабной модели структуры белка // Актуальные проблемы современной науки. 2002. - № 2. - С. 236--240.

5.Карасев В.А., Лучинин В.В. Введение в конструирование бионических наносистем. - М.: Физматлит, 2009.

6.Koppaka V., Paul C., Murray I.V.J. et al. Early synergy between Aв42 and oxidatively dam-aged membranes in promoting amyloid fibril formation by Aв40 // J. Biol. Chem. - 2003. - V. 278, № 38. - P. 36277--36284.

Размещено на Allbest.ru