доклад Ю. О. Чернова

Биология амилоидов:
Укладка белков и здоровье
человека
Юрий Олегович Чернов
Санкт-Петербургский
государственный
университет, Россия
Georgia Institute of Technology, Atlanta,
Georgia, USA
School of Biology and Institute for
Bioengineering and Bioscience
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/
АМИЛОИДНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА
(не менее 50)
Болезнь
Альцгеймера
Болезнь
Паркинсона
Связаны с
образованием
волокнистых
упорядоченных
белковых
агрегатов
(амилоидов)
Болезнь
Хантингтона
Диабет
второго типа
Прионовые
заболевания
(болезнь
Кройтцфельдта
-Якоба, куру,
коровье
бешенство)
Амилоидные заболевания
Наследуемые
(вызываются мутациями в ДНК)
Инфекционные
(передаются от одного
организма к другому)
Спорадические
(вызываются неизвестными причинами)
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
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
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
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
ПРИОНОВЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
ЧЕЛОВЕКА
Связаны с прионовым белком – PrP; смертельны и неизлечимы.
•
Болезнь Кройцфельдта-Якоба (CJD)
Спорадическая или наследуемая
•
Вариантная болезнь КройцфельдтаЯкоба (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)
ПОИСК ИНФЕКЦИОННОГО АГЕНТА
Первоначально считался вирусом
Вируса не могли найти.
Агент оказался устойчив к
воздействиям разрушающим
ДНК, в том числе вирусную
(Alper, 1966)
Гипотеза: белок (Griffith, 1967)
ЭКСТРАКТ МОЗГА
УФ, РАДИАЦИЯ,
НУКЛЕАЗЫ
Предложен термин prion =
Proteinaceous infectious particle
(Prusiner, 1981)
Показано что протеиназоустойчивый гликопротеин, prion
protein (PrP), накапливается в
амилоидной форме в
поражённых мозгах
(Prusiner lab, 1982)
К 2010-2011 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
“ТЕКСТОВОЕ” И “СТРУКТУРНОЕ”
КОДИРОВАНИЕ
В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
«Текстовая» матрица (ДНК)
Структурная матрица (прион)
ПРИОНЫ ЧЕЛОВЕКА И МЛЕКОПИТАЮЩИХ –
БЕЛКОВЫЕ ИНФЕКЦИОННЫЕ АГЕНТЫ
ПРИОНЫ МИКРООРГАНИЗМОВ (ДРОЖЖЕЙ) –
НАСЛЕДУЕМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ПЕРЕДАЮЩИЕСЯ ЧЕРЕЗ ЦИТОПЛАЗМУ
(«белковые гены»)
ПРИОНЫ ДРОЖЖЕЙ – ПРИМЕР БЕЛКОВОЙ
НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
ПРИОНЫ ДРОЖЖЕЙ КОНТРОЛИРУЮТ
ФЕНОТИПИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ
Белок Sup35 в не-прионовой
форме ([psi-])
Нет роста
Красный
Белок Sup35 в прионовой форме
([PSI+])
Есть рост
Белый
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!
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.
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 прионы – 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/прионов 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
(прионовой) 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?
Работы Ю.О. Чернова
и других лабораторий
Обычный
амилоидный
агрегат
Прион – агрегат,
фрагментируемый
шаперонами
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
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