Амилоидтар: құрылымы, қасиеттері және аурулардағы ролі

Кіріспе

Ерімейтін, фибрилляциялық морфологиясы бар ақуыз агрегаты. Амилоидтар – әдетте 7–13 нм диаметріндегі фибрилляциялық морфологиясымен, β-парақ екінші құрылымымен (кросс β деп белгілі) және Конго қызылы сияқты белгілі бір бояулармен боялу қабілетімен сипатталатын ақуыз агрегаттары. Адам организмінде амилоидтар түрлі аурулардың дамуымен байланысты. Бұл аурулар, амилоидоз деп аталады, және кейбір нейродегенеративтік аурулардың дамуында рөл атқаруы мүмкін. Осы аурулардың кейбіреулері көбінесе спорадикалық болып келеді және тек бірнеше жағдайда ғана отбасылық сипатқа ие. Басқалары тек отбасылық болып табылады. Ал кейбіреулері медициналық емдеу нәтижесінде пайда болады. Приондар – амилоидтардың жұқпалы түрі, олар басқа жұқпалы емес түрлерді өзгертуге қалыпты үлгі ретінде әрекет етеді. Амилоидтардың қалыпты биологиялық функциялары да болуы мүмкін; мысалы, кейбір бактериялар тұқымдарында фимбриялардың қалыптасуы, саңырауқұлақтарда эпигенетикалық белгілердің берілуі, сондай-ақ пигменттердің жинақталуы және адамдарда гормондардың бөлінуі. Бұл полипептидтік тізбектер көбінесе β-парақ құрылымдарын құрайды, олар ұзын талшықтарға жиналады; алайда, бірдей полипептидтер бірнеше ерекше амилоидтық конформацияларға жиналуы мүмкін. Амилоид прекурсор ақуыздарының улы құрауышы ретінде α-парақшасы деп аталатын ерекше екінші құрылым ұсынылған, бірақ бұл идея қазіргі уақытта кеңінен қабылданбаған.

Анықтама

Амилоид атауы Рудольф Вирховтың иодты бояу әдістеріне негізделген, оны крахмал (лат. amylum, гр. ἄμυλον) деп қате анықтауынан туындаған. Біраз уақыт бойы ғылыми қауым амилоид шөгінділері майлы немесе көмірсутектерден тұра ма деген мәселені талқылады. Соңында (1859 жылы) олардың альбумоидты ақуыз материалдың жинағы екендігі анықталды. Амилоидтың классикалық, гистопатологиялық анықтамасы – бұл жасушадан тыс, ақуызды фибриллярлық шөгінді, бета-жапсырмалық екінші құрылымын көрсетеді және поляризацияланған жарық астында конго қызылымен боялғанда алма-жасыл түсті біртұтастыққа ие болады. Бұл шөгінділер көбінесе әртүрлі қанттар мен сарысудың Амилоид P компоненті сияқты басқа да компоненттерді жинақтап, күрделі және кейде біртекті емес құрылымдарға әкеледі. Жақында бұл анықтама күмәндандырылды, себебі кейбір классикалық амилоид түрлері жасуша ішінде анықталды. Ал биофизикалық анықтама кеңірек: ол тірі организмде немесе зертхана жағдайында жасушалардың ішінде немесе сыртында кросс-бета құрылымын қалыптастыру үшін полимерленетін кез келген полипептидті қамтиды. Микробиологтар, биохимиктер, биофизиктер, химиктер және физиктер бұл анықтаманы көбінесе қабылдады, бұл биологиялық қауымдастықта терминологиялық дауға себеп болды.

Құрылымы

Амилоидтар ұзын, тармақталмаған талшықтардан құралады, олар кеңейтілген β-қапшықты екінші құрылыммен сипатталады, онда жеке β-жіпшелер (β-жіпшелер) (қоса берілген суреттегі түсті жебелер) талшықтың ұзын осіне перпендикуляр бағытта орналасқан. Мұндай құрылым кросс-β құрылымы деп аталады. Әрбір жеке талшықтың ені 7–13 нанометр, ал ұзындығы бірнеше микрометр болуы мүмкін. β-қаптардағы жіпшелер арасындағы және қабаттасу қашықтықтарына сәйкес келетін 4,7 және 10 Å (0,47 нм және 1,0 нм) екі ерекше шашыраңқы дифракциялық сигналдары байқалады. Микрокристалдардың рентгендік дифракциялық зерттеулері амилоидтың негізгі аймағының атомдық деңгейдегі егжей-тегжейлі сипаттамасын көрсетті, бірақ бұл тек ауруға қатысты пептидтер мен ақуыздарға қарағанда әлдеқайда қысқа, қарапайым пептидтер үшін ғана мүмкін болды. Кристаллографиялық құрылымдар амилоидты бейім аймақтарының қысқа бөліктері амилоидтық жіпше осіне перпендикуляр орналасқанын көрсетті, бұл амилоид құрылымының «кросс-β» ерекшелігімен сәйкес келеді. Олар сондай-ақ амилоидтық құрылымдардың бірқатар сипаттамаларын ашты: көршілес β-қаптар судың жоқтығымен сипатталатын интерфейс арқылы тығыз жинақталған (сондықтан «құрғақ интерфейс» деп аталады), ал қарама-қарсы β-жіпшелер бір-біріне қатысты сәл ығысқан, нәтижесінде олардың бүйір тізбектері өзара тігілеседі. Бұл ықшам, сусыздалған интерфейс «стерикалық жіпқап интерфейсі» деп аталды. Дисульфидтік байланысқан күрделі тірек топологиясы бар ақуыздар (амилоидтық фибрилдерді қалыптастыруға бейім, мысалы, инсулин және лизозим) амилоидты β-қап мотивін қалай қабылдайды деген туралы бірнеше идея бар. Көптеген шектеулердің болуы қолжетімді конформациялық кеңістікті айтарлықтай азайтады, бұл амилоидтық құрылымдардың есептеулік симуляцияларын жүргізуді жеңілдетеді. Амилоидтық полипептидтерді зерттеудегі қиындықтардың бірі – бірдей полипептидтердің бірнеше ерекше амилоидтық конформацияларға жиналу мүмкін. Бұл приондық штамм құбылысын түсіндіруге қабілетті, сондықтан маңызды биологиялық салдарлары бар.

Amyloids are formed of long unbranched fibers that are characterized by an extended β sheet secondary structure in which individual β strands (β strands) (coloured arrows in the adjacent figure) are arranged in an orientation perpendicular to the long axis of the fiber. Such a structure is known as cross β structure. Each individual fiber may be 7–13 nanometres in width and a few micrometres in length. There are two characteristic scattering diffraction signals produced at 4.7 and 10 Å (0.47 nm and 1.0 nm), corresponding to the interstrand and stacking distances in β sheets. X ray diffraction studies of microcrystals revealed atomistic details of core region of amyloid, although only for simplified peptides having a length remarkably shorter than that of peptides or proteins involved in disease. The crystallographic structures show that short stretches from amyloid prone regions of amyloidogenic proteins run perpendicular to the filament axis, consistent with the "cross β" feature of amyloid structure. They also reveal a number of characteristics of amyloid structures – neighboring β sheets are tightly packed together via an interface devoid of water (therefore referred to as dry interface), with the opposing β strands slightly offset from each other such that their side chains interdigitate. This compact dehydrated interface created was termed a steric zipper interface. There are few developed ideas on how the complex backbone topologies of disulfide constrained proteins, which are prone to form amyloid fibrils (such as insulin and lysozyme), adopt the amyloid β sheet motif. The presence of multiple constraints significantly reduces the accessible conformational space, making computational simulations of amyloid structures more feasible. One complicating factor in studies of amyloidogenic polypeptides is that identical polypeptides can fold into multiple distinct amyloid conformations. It has notable biological consequences given that it is thought to explain the prion strain phenomenon.

Құрылу

Амилоид жүздеген-мыңдаған мономерлі пептидтер немесе белоктардың ұзақ талшықтарда полимерленуі арқылы қалыптасады. Амилоидтың қалыптасуы кідіріс кезеңін (нуклеация кезеңі деп те аталады), экспоненциалды кезеңді (өсу кезеңі деп те аталады) және плато кезеңін (қанығу кезеңі деп те аталады) қамтиды, суретте көрсетілгендей. Шындығында, фибрилдер мөлшерінің уақытқа қарсы графигінде үш ерекше фазаны көрсететін сигмоидтық уақыт өтеді. "Нуклеацияланған полимерлендірудің" ең қарапайым моделінде (суретте қызыл жебелермен көрсетілген), жеке ашылмаған немесе ішінара ашылмаған полипептидтік тізбектер (мономерлер) термодинамикалық жағынан қолайсыз процесс арқылы ядроға (мономер немесе олигомер) айналады, бұл кідіріс кезеңінің басында болады. Тек кейіннен ғана бұл жиынтықтар ядроларға құрылымдық жағынан қайта ұйымдасады, онда басқа ұйымдаспаған олигомерлер қосылып, үлгілеу немесе индукцияланған сәйкестік механизмі арқылы қайта ұйымдасады (бұл "ядролық конформациялық түрлендіру" моделі), соңында фибрилдерді құрайды. Дегенмен, кейбір жағдайларда бүктелген белоктар бүктелу үшін негізгі энергетикалық тосқауылдан өтпей, топтасып, жылулық ауытқулар, лигандтардың босатылуы немесе белгілі бір жағдайларда болатын жергілікті бүктелу салдарынан туатын, табиғи пішінге ұқсас конформацияларды қалыптастыруы мүмкін. Әртүрлі қадамдардың жылдамдық константаларын әртүрлі белок концентрацияларында тіркелген уақыт өту графиктерінің (мысалы, ThT флуоресценциясының уақытқа қарсы шығуы) жалпы сәйкестігінен анықтауға болады. Мысалы, адамдар амилинді, II типті қант диабетімен байланысты амилоидтық пептидті өндіреді, бірақ егеуқұйрықтар мен тышқандарда пролиндер маңызды орындарда алмастырылады және амилоидогенез пайда болмайды. Фибрилляция жылдамдығын, фибрилдердің біртектілігін және жасушалық уыттылығын өлшеуге арналған зерттеулерде синтетикалық және рекомбинантты β-амилоидты пептидті салыстырғанда, рекомбинантты β-амилоидты пептид синтетикалық β-амилоидты пептидке қарағанда жылдам фибрилляция жылдамдығына және жоғары уыттылыққа ие екені анықталды. Амилоидты құрайтын полипептидтік тізбектердің бірнеше кластары бар. Басқа полипептидтер мен белоктар, мысалы, амилин және β-амилоидты пептидтің қарапайым консенсус тізбектері жоқ және олар гидрофобтық қалдықтарға байытылған немесе β-қапшық құрылымын қалыптастыруға бейімделген қалдықтармен тізбек сегменттері арқылы жинақталады деп есептеледі. Кросс-полимерлендіру (бір полипептидтік тізбектің фибрилдері басқа тізбектің фибрилдерін қалыптастыруы) in vitro және мүмкін in vivo байқалады. Бұл құбылыс маңызды, себебі ол түрлер арасындағы прионның таралуын және прионның таралу жылдамдығының айырмашылықтарын, сондай-ақ Альцгеймер ауруы мен 2-типті қант диабеті арасындағы статистикалық байланысты түсіндіруге болады. Жалпы, пептидтік тізбек неғұрлым ұқсас болса, кросс-полимерлендіру соғұрлым тиімді болады, бірақ мүлдем ұқсамайтын тізбектер де кросс-полимерленуі мүмкін, ал өте ұқсас тізбектер тіпті полимерленуге кедергі келтіретін "тоқтаушылар" бола алады.

Amyloid is formed through the polymerization of hundreds to thousands of monomeric peptides or proteins into long fibers. Amyloid formation involves a lag phase (also called nucleation phase), an exponential phase (also called growth phase) and a plateau phase (also called saturation phase), as shown in the figure. Indeed, when the quantity of fibrils is plotted versus time, a sigmoidal time course is observed reflecting the three distinct phases. In the simplest model of 'nucleated polymerization' (marked by red arrows in the figure below), individual unfolded or partially unfolded polypeptide chains (monomers) convert into a nucleus (monomer or oligomer) via a thermodynamically unfavourable process that occurs early in the lag phase. Only later on, will these aggregates reorganise structurally into nuclei, on which other disorganised oligomers will add and reorganise through a templating or induced fit mechanism (this 'nucleated conformational conversion' model), eventually forming fibrils. In some cases, however, folded proteins can aggregate without crossing the major energy barrier for unfolding, by populating native like conformations as a consequence of thermal fluctuations, ligand release or local unfolding occurring in particular circumstances. The rate constants of the various steps can be determined from a global fit of a number of time courses of aggregation (for example ThT fluorescence emission versus time) recorded at different protein concentrations. For example, humans produce amylin, an amyloidogenic peptide associated with type II diabetes, but in rats and mice prolines are substituted in critical locations and amyloidogenesis does not occur. Studies comparing synthetic to recombinant β amyloid peptide in assays measuring rate of fibrillation, fibril homogeneity, and cellular toxicity showed that recombinant β amyloid peptide has a faster fibrillation rate and greater toxicity than synthetic β amyloid peptide. There are multiple classes of amyloid forming polypeptide sequences. Other polypeptides and proteins such as amylin and the β amyloid peptide do not have a simple consensus sequence and are thought to aggregate through the sequence segments enriched with hydrophobic residues, or residues with high propensity to form β sheet structure. Cross polymerization (fibrils of one polypeptide sequence causing other fibrils of another sequence to form) is observed in vitro and possibly in vivo. This phenomenon is important, since it would explain interspecies prion propagation and differential rates of prion propagation, as well as a statistical link between Alzheimer's and type 2 diabetes. In general, the more similar the peptide sequence the more efficient cross polymerization is, though entirely dissimilar sequences can cross polymerize and highly similar sequences can even be "blockers" that prevent polymerization.

Амилоидтық токсикологиялық әсері

Амилоидтың ауруларға себепкер болуының себептері әлі анық емес. Кейбір жағдайларда, шөгінділер тіндік құрылымды физикалық тұрғыдан бұзады, бұл кейбір масштабты процестердің функциялық бұзылуын көрсетеді. Қалыптасып келе жатқан консенсус бойынша, әсіресе нейродегенеративті ауруларда, жетілген амилоидтік талшықтар емес, префибриллярлік аралық заттар клеткалардың өліміне себеп болады. Дегенмен, фибрилдер де зиянсыз емес, себебі олар белок гомеостазы желісін жұмыс ілістіреді, олигомерлерді бөліп шығарады, екіншілік нуклеация арқылы уытты олигомерлердің түзілуіне себеп болады, шексіз өседі және ауданнан ауданға таралады.

Белок олигомерлеріне ұшыраған жасушаларда кальцийдің бұзылуы ерте сатыда байқалады. Бұл кіші агрегаттар липидтік екі қабатты мембраналар арқылы иондық каналдар құрастырып, NMDA және AMPA рецепторларын белсендіре алады. Каналдардың пайда болуы, иондардың жасушалық мембраналар арқылы диффузиялық ағынына мүмкіндік беру арқылы кальцийдің бұзылуына және митохондриялық дисфункцияға себеп болуы мүмкін деген гипотеза бар. Зерттеулер амилоидтың жинақталуының митохондриялық дисфункциямен және реактивті оттегі түрінің (ROS) пайда болуымен байланысты екенін көрсетті, бұл апоптозға әкелетін сигналдық жолдарды іске қосуы мүмкін. Амилоидты полимерлер (мысалы, Хантингтон ауруымен байланысты хентингтин) маңызды амилоидтық белоктардың полимеризациясын тудыруы мүмкін, бұл жасушалар үшін зиянды болуы керек деген хабарламалар бар. Сонымен қатар, осы маңызды белоктардың өзара әрекеттесетін серіктестері де оқшаулануы мүмкін. Осы уыттылық механизмдерінің барлығы да рөл атқаруы мүмкін. Шындығында, бір белоктың агрегациясы әртүрлі агрегаттарды жасайды, олардың барлығы белгілі бір деңгейде уытты болуы мүмкін. Жасушалар мен жануарларға осындай түрлердің әсерінен кейін биохимиялық, физиологиялық және цитологиялық түрлі бұзылыстар анықталды, олардың табиғатына қарамастан. Олигомерлердің әртүрлі молекулалық нысаналармен өзара әрекеттесетіні де хабарланды. Сондықтан, уыттылықтың бірегей механизмі немесе жасушалық оқиғалардың бірегей тізбегі болуы екіталай. Белок агрегаттарының бұрмаланған табиғаты, мембраналар, белок рецепторлары, ерігіш белоктар, РНК, кіші метаболиттер және т.б. сияқты көптеген жасушалық компоненттермен көптеген бұрмаланған өзара әрекеттесулерге әкеледі.

Гистологиялық бояу

Клиникалық жағдайда амилоидтық аурулар көбінесе тиофлавин Т, конго қызылы немесе NIAD 4 сияқты жазық ароматикалық бояулардың спектроскопиялық қасиеттерінің өзгеруі арқылы анықталады. Мұның себебі, бұл бояулар β-талшықтар арасына еніп, олардың құрылымын шектейтін ортаның өзгеруіне байланысты. Конго қызылының оң нәтижесі амилоидозды диагностикалаудың алтын стандарты болып табылады. Әдетте, конго қызылының амилоидтық плактарға байланысуы нәтижесінде, кросс-поляризацияланған жарық астында қарағанда, ерекше алма-жасыл екі қырлылық пайда болады. Соңғы кезде NIAD 4 флуоресценциялық кванттық шығымының айтарлықтай артуы амилоидты фибрилдер мен олигомерлердің суперрезолюциялық флуоресценциялық бейнелеуіне қолданылды. Бөгде боянудан сақтану үшін гематоксилин және эозин сияқты басқа гистологиялық бояулар қолданылады, олар бояудың басқа жерлерде, мысалы, ядрода белсенділігін басады, онда бояу байланысуы мүмкін. Заманауи антидене технологиясы және иммуногистохимия нақты бояуды жеңілдетті, бірақ бұл көбінесе қиындықтар тудырады, себебі эпитоптар амилоидтық бүктемеде жасырылуы мүмкін; жалпы алғанда, амилоидтық белок құрылымы антидененің танитын құрылымынан өзгеше болады.