Введение
Группа пептидов
Исследование показало, что АПП и его амилоидный потенциал возникли в глубокой древности, восходя к ранним дейтеростомам.
Нормальная функция
Нормальная функция Aβ до конца не изучена. Хотя некоторые исследования на животных показали, что отсутствие Aβ не приводит к очевидной потере физиологических функций, для Aβ обнаружено несколько потенциальных активностей, включая активацию киназных ферментов, защиту от окислительного стресса, регуляцию транспорта холестерина, функцию фактора транскрипции и антимикробную активность (возможно, связанную с провоспалительной активностью Aβ). Глимфатическая система очищает мозг млекопитающих от метаболических отходов, в частности, от бета-амилоида. Генетические и биохимические исследования выявили ряд протеаз, участвующих в распознавании и деградации бета-амилоида, включая инсулин-деградирующий фермент и пресекуэнсную протеазу. Скорость удаления значительно возрастает во время сна. Однако роль глифатической системы в клиренсе Aβ при болезни Альцгеймера остается неизвестной.
Связь болезней
Аβ является основным компонентом амилоидных бляшек – внеклеточных отложений, обнаруживаемых в мозге людей с болезнью Альцгеймера. Аβ также может формировать отложения, выстилающие кровеносные сосуды головного мозга при церебральной амилоидной ангиопатии. Бляшки состоят из переплетения олигомеров Aβ и регулярно организованных агрегатов, называемых амилоидными фибриллами – белковой структуры, общей для других пептидов, таких как прионы, связанные с заболеваниями, вызванными неправильным сворачиванием белков, также известными как протеинопатии.
Болезнь Альцгеймера
Исследования показывают, что растворимые олигомерные формы бета-амилоида могут являться причиной развития болезни Альцгеймера. Обычно считается, что олигомеры Aβ обладают наибольшей токсичностью. Многочисленные генетические, клеточные, биохимические и исследования на животных с использованием экспериментальных моделей подтверждают концепцию о центральной роли Aβ в развитии патологии болезни Альцгеймера. У пациентов со спорадической болезнью Альцгеймера наблюдается повышенный уровень Aβ в мозге. Aβ является основным компонентом паренхиматозного и сосудистого амилоида мозга, способствует развитию цереброваскулярных поражений и оказывает нейротоксическое действие. Не выяснено, каким образом Aβ накапливается в центральной нервной системе и впоследствии инициирует поражение клеток. Значительные усилия направлены на изучение механизмов, ответственных за продукцию Aβ, включая протеолитические ферменты гамма- и β-секретазы, которые генерируют Aβ из его предшественника – белка APP (амилоидного предшественника белка). Aβ циркулирует в плазме крови, спинномозговой жидкости (CSF) и интерстициальной жидкости мозга (ISF) преимущественно в виде растворимого Aβ40. Амилоидные бляшки содержат как Aβ40, так и Aβ42, в то время как сосудистый амилоид состоит главным образом из более короткого Aβ40. В обоих типах поражений были обнаружены различные последовательности Aβ. Увеличение общего уровня Aβ или относительной концентрации Aβ40 и Aβ42 (причем первая более концентрирована в цереброваскулярных бляшках, а вторая – в нейритных бляшках) связывают с патогенезом как семейной, так и спорадической болезни Альцгеймера. Благодаря своей большей гидрофобности, Aβ42 является наиболее амилоидогенной формой пептида. Однако известно, что центральная последовательность KLVFFAE способна самостоятельно формировать амилоид и, вероятно, составляет ядро фибриллы. Одно исследование также выявило корреляцию между уровнем Aβ42 в мозге не только с началом болезни Альцгеймера, но и со снижением давления спинномозговой жидкости, что позволяет предположить, что накопление или неспособность к удалению фрагментов Aβ42 могут играть роль в патологии. "Амилоидная гипотеза", согласно которой бляшки ответственны за патологию болезни Альцгеймера, принимается большинством исследователей, но не является окончательно доказанной. Альтернативная гипотеза предполагает, что болезнь вызвана амилоидными олигомерами, а не бляшками.
Рак
Хотя Aβ был вовлечен в развитие рака, что стимулировало исследования различных типов рака для выяснения характера его возможных эффектов, результаты остаются в основном неубедительными. Уровни Aβ оценивались в связи с рядом онкологических заболеваний, включая рак пищевода, колоректальный рак, рак легких и рак печени, в связи с наблюдаемым снижением риска развития болезни Альцгеймера у пациентов, переживших эти виды рака. Все типы рака были положительно связаны с повышенными уровнями Aβ, особенно рак печени. Однако направление этой взаимосвязи пока не установлено. Исследования, проведенные на клеточных линиях рака молочной железы человека, дополнительно показали, что эти раковые клетки демонстрируют повышенный уровень экспрессии амилоидного предшественника белка.
Синдром Дауна
У взрослых с синдромом Дауна наблюдалось накопление амилоида, связанное с признаками болезни Альцгеймера, включая ухудшение когнитивных функций, памяти, точности мелкой моторики, исполнительных функций и зрительно-пространственных навыков.
Формирование
Aβ образуется после последовательного расщепления белка-предшественника амилоида (APP), трансмембранного гликопротеина с не установленной функцией. APP может расщепляться протеолитическими ферментами α-, β- и γ-секретазами; белок Aβ генерируется последовательным действием β- и γ-секретаз. γ-секретаза, которая формирует C-концевой участок пептида Aβ, расщепляет APP в трансмембранной области и может создавать несколько изоформ длиной от 30 до 51 аминокислотных остатков. Наиболее распространенными изоформами являются Aβ40 и Aβ42; более длинная форма обычно образуется при расщеплении, происходящем в эндоплазматическом ретикулуме, а более короткая – при расщеплении в сети транс-Гольджи.
Генетика
Автосомно-доминантные мутации в гене APP вызывают наследственную болезнь Альцгеймера раннего начала (семейный АД, fAD). Эта форма болезни Альцгеймера составляет не более 10% всех случаев, и подавляющее большинство случаев болезни Альцгеймера не сопровождаются такими мутациями. Однако семейная болезнь Альцгеймера, вероятно, является следствием нарушения протеолитического процессинга. Это подтверждается тем фактом, что многие мутации, приводящие к fAD, локализуются вблизи участков расщепления γ-секретазы на APP. Одной из наиболее распространенных мутаций, вызывающих fAD, является лондонская мутация, которая возникает в кодоне 717 гена APP и приводит к замене аминокислоты валина на изолейцин. Гистохимический анализ мутации APP V717I выявил обширную Aβ-патологию по всей нейрооси, а также распространенную церебральную амилоидную ангиопатию (CAA). Ген, кодирующий амилоидный предшественник белка, расположен на 21-й хромосоме, и, следовательно, у людей с синдромом Дауна наблюдается очень высокая заболеваемость болезнью Альцгеймера.
Структура и токсичность
Считается, что амилоид бета по своей сути неструктурирован, то есть в растворе он не приобретает уникальную третичную конформацию, а скорее существует в виде набора структур. В связи с этим, его нельзя кристаллизовать, и большая часть структурных данных об амилоиде бета получена с помощью ЯМР и молекулярной динамики. Ранние модели, полученные на основе данных ЯМР, 26-аминокислотного полипептида из амилоида бета (Aβ 10–35), демонстрируют свернутую структуру в виде клубка, лишенную значительного содержания вторичной структуры. Однако, наиболее свежая (2012) структура, определенная методом ЯМР для (Aβ 1–40), обладает значительной вторичной и третичной структурой. Исследования молекулярной динамики с репликационным обменом показали, что амилоид бета действительно может существовать в нескольких дискретных структурных состояниях; более поздние исследования выявили множество дискретных конформационных кластеров с помощью статистического анализа. Моделирование, направленное данными ЯМР, показало, что амилоид бета 1–40 и амилоид бета 1–42 также демонстрируют существенно различные конформационные состояния, при этом C-конец амилоида бета 1–42 более структурирован, чем у фрагмента 1–40. Низкая температура и низкая концентрация солей позволили выделить пентамерные олигомеры дискообразной формы, лишенные бета-структуры. В то же время, растворимые олигомеры, полученные в присутствии детергентов, по-видимому, содержат значительное количество бета-листов со смешанным параллельным и антипараллельным характером, что отличается от фибрилл; вычислительные исследования предполагают наличие антипараллельного бета-поворота-бета-мотива для олигомеров, встроенных в мембрану.
Исследования иммунотерапии
Иммунотерапия может стимулировать иммунную систему организма распознавать и атаковать Aβ, либо обеспечивать антитела, которые предотвращают образование бляшек, либо усиливают удаление бляшек или олигомеров Aβ. Олигомеризация – это химический процесс, при котором отдельные молекулы превращаются в цепочку, состоящую из конечного числа молекул. Предотвращение олигомеризации Aβ демонстрировалось посредством активной или пассивной иммунизации Aβ. В этом процессе антитела к Aβ используются для снижения уровня церебральных бляшек. Это достигается за счет стимуляции клиренса микроглии и/или перераспределения пептида из мозга в системный кровоток. Антитела, нацеленные на Aβ и протестированные в клинических исследованиях, включали адуканумаб, бапинезумаб, кренезумаб, гантенерумаб, леканемаб и соланезумаб.
Измерение бета-амилоида
Соединения для визуализации, в особенности соединение Питтсбурга B (6-OH BTA-1, тиофлавин), способны избирательно связываться с бета-амилоидом как in vitro, так и in vivo. Эта методика, в сочетании с ПЭТ-сканированием, используется для визуализации областей отложений амилоидных бляшек у пациентов с болезнью Альцгеймера.
После смерти или в биопсии тканей
Бета-амилоид может быть измерен полуколичественно с помощью иммуноокрашивания, которое также позволяет определить его локализацию. Бета-амилоид может быть преимущественно сосудистым, как при церебральной амилоидной ангиопатии, или представлен амилоидными бляшками в белом веществе. Одним из чувствительных методов является ELISA – иммуноферментный анализ, использующий пару антител, распознающих бета-амилоид. Атомно-силовая микроскопия, способная визуализировать молекулярные поверхности на наномасштабе, может быть использована для определения состояния агрегации бета-амилоида in vitro. Вибрационная микроспектроскопия – это метод, не требующий мечения, который измеряет колебания молекул в образцах тканей. Амилоидные белки, такие как Aβ, могут быть обнаружены с помощью этой техники благодаря их высокому содержанию β-структур. Недавно было установлено образование Aβ-фибрилл в различных типах бляшек при болезни Альцгеймера, что указывает на то, что бляшки проходят через разные стадии развития. Эти процессы агрегации также могут быть изучены на моделях липидных бислоев.