Közelebb a neurodegeneratív betegségek megértéséhez

Az amiloid struktúra a fehérjék egy új téralkata. Mit tudunk a fehérjék térszerkezetéről?
Térszerkezetnek nevezi a szaknyelv a molekulák küllemét és alakját, ami meghatározza a használhatóságot. A molekuláknak és így a fehérjéknek is van szerkezetük, és a megjelenésük perdöntő! 

A molekuláris evolúció 3–4 milliárd éve alatt a fehérjék folyamatosan alakultak és változtak, ám mai tudásunk szerint ezalatt az idő alatt a téralkatra nézve csupán csak két sikeres stratégia szerint.

Minden fehérje lineáris polimer, amely tartalmaz mind vízkedvelő, mind víztaszító aminosavakat.

Ez utóbbiak értelemszerűen „nehezen férnek meg” a vízzel, amely közeg ad otthont az élő rendszerek legtöbb molekulájának. Az egyik sikerre vezető stratégia az, hogy a fehérjelánc úgy tekeredik fel gyorsan és kompakt módon, hogy a víztaszító aminosavakat a saját belsejébe temeti. A fehérjeevolúció – a rejtegetés kényszere alatt – vizet át nem eresztő, úgynevezett globuláris téralkatok sokaságát eredményezte. A humán genom mintegy húszezer fehérjéjének téralkata 70-85 százalékban globuláris.

A másik stratégia mentén a fehérjeláncban lévő víztaszító (más szóval hidrofób) aminosavak ismétlődő mutációk során vagy kikoptak, vagy be sem épültek a láncba. A lecsökkent víztaszító aminosavak száma miatt ezeknek a fehérjéknek már nem kell feltekeredniük, nem kell a víz számára átjárhatatlan globuláris téralkatot létrehozniuk, hanem mint sikló a vízben, izegve-mozogva töltenek be fontos biológiai funkciókat. A fokozott belső mozgékonyságuk okán ezeket intrinsically dynamic proteinnek (IDP) nevezik. A minket felépítő nagyjából 37 billió sejt mindegyikében sok-sok ezer fehérje található, melyek csupán kétfélék lehetnek: vagy globuláris fehérjék, vagy IDP-k.

Honnan tudták, hogy van egy harmadik típusú fehérje-térszerkezet? És mi a szokatlan benne?
Ma még részben ismeretlen, sejten belüli változásokra visszavezethető okok miatt a szálszerűen kígyózó globuláris fehérjék egy-egy rövidebb szegmense meglazul, majd ez a részlet másféle vagy önmagához hasonló lánchoz simul, amivel összetapadnak. Ahogy a folyón úszó farönkök idővel egymás mellé rendeződnek, majd illeszkednek és ezáltal tutajjá kapcsolhatók össze, talán ugyanígy képződik a fehérje harmadik típusú téralkata, az amiloid szabályos nano-struktúrája, melyben képzeletbeli zsaluzás segítségével illeszkednek össze az elemek, és alkotnak megbonthatatlan stabilitású amiloid filamentumot.

Hogyan függ össze ez a térszerkezet és az Alzheimer-kór?
Ez a szerkezet az önerősítő önrendeződés során egyre növekvő hosszúságú amiloid szállá áll össze. Idővel az amiloidok összetorlódnak, és ahogy a jég zajláskor kilép a folyó medréből és torlaszokat épít, úgy nőnek és terjeszkednek az amiloid struktúrák egyre nagyobbra, majd aztán szétfeszítik sejtes környezetüket. A normál sejtekben a fehérjesűrűség nagy, ezért tudnak gyorsan növekedni, egymáshoz tapadni az amiloidok. Idővel a normál celluláris működés megbomlik, a sejtes struktúra szétesik, a szövet, a szerv pusztulásnak indul. Ilyen módon veszti el az alzheimeres beteg folyamatosan és visszavonhatatlanul egyre több idegsejtjét, ami miatt a személy kognitív és vegetatív képességei drámai romlásnak indulnak.

A mentális leépülés hátterében az amiloid plakkok számának növekedése és a neuronok felgyorsult pusztulása áll,

noha jelenleg még nem bizonyított az, hogy ebben a láncolatban mi az ok, és mi az okozat.

Mely fehérjék képesek erre a veszélyesnek tűnő határtalan növekedésre?
30–50 évvel ezelőtt azt hittük, hogy csak néhány fehérje van, amelyik hibásan hasad vagy természetes lebomlása közben egy-egy átmeneti terméke felgyülemlik, és ez okozza a bajt, az amiloidok megjelenését. Például az Amiloid Precursor Protein, röviden APP hasadása során keletkezik az emberben az Aβ1-42 szálszerűen kígyózó rövidebb fehérjedarab, amelynek a neuronokban megnövekedett koncentrációja amiloidot képezhet és Alzheimer-kórt eredményezhet, amely a demenciák csaknem 60 százalékért felelős, és amelyre jelenleg sajnos még semmilyen gyógymód sincs.

Milyen szakaszban van a gyógymód megtalálása?
A 80 évnél idősebbek között nem ritka az Alzheimer-kór: kezelésükre csak USA-ban 2019-ben mintegy 290 milliárd dollárt költöttek. Az elmúlt évtizedek kutatásai során tucatnyi sikerrel kecsegtető gyógyszerjelölt vérzett el, egy sem jutott túl a klinikai vizsgálatokon. Tovább szaporodtak a rossz hírek, amikor megtalálták az alfa-Szinuklein nevű fehérjét, amelyből szintén képződhet amiloid, amely viszont a Parkinson-kór kialakulásért felelős. Ezt követően is jöttek idővel az újabb és újabb megfigyelések, és az amiloid képződéshez köthető betegségek száma egyre csak nőtt és nőtt. Ma azt gondoljuk, hogy a genom lényegében bármely fehérjéje képezhet akár végzetes amiloidot, bizonyos körülmények között feltekeredhet ebbe a 3. típusú fehérjetérszerkezetbe.

A helyzet nem örömteli. Úgy tíz éve, elméleti megfontolások és alkalmazott kvantumkémia számításokkal

bizonyítottuk azt a termodinamikai hipotézist, hogy bármely fehérje számára felvehető az amiloid térszerkezetet.

Munkánkat akkor az amerikai kémiai társaság lapjában (JACS) közöltük, eredményünket azóta is hivatkozzák. Az amiloid igazi fehérjetemető, a fehérjeképződés zsákutcája ez. Az amiloid képződés során lényegében béta-redőzött rétegek téralkatok kapcsolódónak rendezett módon egymás mellé. Az egyre növekvő méretű amiloid nanostruktúrák egyre megbonthatatlanabbak, egyre erősebben tapadnak egymáshoz.

De β-redőzött téralkattal tele vannak az egészségesen működő globuláris fehérjék! Hogyan lehetséges ez?
Valóban a fehérjék spirálszerű, alfa-hélixnek nevezett térbeli alakzata mellett, a nyújtott alakzatú béta-redő a második legelterjedtebb és jól felismerhető forma a fehérjékben (lásd lila spirálok és magenta nyilak az alábbi ábrán). Ám ideális fiziológiás körülmények közepette ez a nyújtott téralkat szigorú „kontroll alatt van”, soha sincs „egyedül hagyva” éppen azért, hogy nehogy amiloid képződést kezdeményezzen.

Miben áll mostani munkájuk jelentősége?
Az elmúlt évtizedben százával jelentek meg olyan cikkek, amelyek egy-egy fehérje esetében amiloidképződésről számoltak be. Ám olyan munka, amelyik a sejtes körülmények szisztematikus feltérképezésének, a pH, a hőmérséklet, a fehérjekoncentráció függvényében vizsgálja az amiloidképződés lehetőségét és tényét, vagy annak molekuláris mechanizmusát ma is ritka, mert nehéz. Mi a II-es típusú cukorbetegség gyógyítása során használt fehérjegyógyszer, az Exenatid általunk fejlesztett variánsainak amiloidképződését térképeztük fel, írtuk le munkánk általánosítható tapasztalatait. Ráadásul

egy spektroszkópiai módszert is kifejlesztettünk a folyamat lépésenkénti monitorozása érdekében,

olyat, amely teljesen általános és bármely fehérje amiloidózisa során alkalmazható. Kiroptikai módszerünk széles körben használható, és betekintést enged az amiloid téralkat kialakulásának részleteibe is.

Az amiloid képződés tehát a fehérje feltekeredés hibája lenne? Olyan összetett patológiás folyamat, amely során inkább elveszett, vagy netán túlműködik a „kontroll”?
Nehéz erre a kérdésre általában válaszolni. Az összetapadó nyújtott térszerkezetű béta-szálak között – ahogy a molekuláris „épület” egyre nő – egyre több összetartó erő kontrollálja és alakítja ki a nanostruktúrát. Tehát mondhatjuk azt, hogy ahogy növekszik az amiloid, úgy nő a kontroll. Ugyanakkor ma azt gondoljuk, hogy a normális fiziológiás működéshez képest valami megbomlott az amiloidózis során, valami elveszett, valami alulműködik, és ezért a fehérjék működése hibás, a rendszer netán alulkontrollált.

Mi hozhat eredményt az Alzheimer gyógyítása terén?
Csak 1992 és 2018 között több mint 150 – később sikertelennek ítélt, korábban gyógyszerjelölt – molekulát vizsgáltak és fejlesztettek ideig-óráig a gyógyszergyárak. A kudarc milliárd dolláros veszteségeket jelentett, amit csak a legnagyobb gyártók és forgalmazók tudtak túlélni. Még van azért néhány, talán 4–5 sikerrel kecsegtető molekula a tarsolyban. Mi azt gondoljuk, hogy az áttörést éppen a polipeptid- és fehérjekémia, éppen az amiloidképződés molekuláris miértjeinek és mikéntjeinek a jobb megértése hozhat. Ezért kutatjuk évtizedek óta minden kihívás ellenére, szakadatlan lelkesedéssel ezt a területet az ELTE-n. A mostani eredményeinkkel egyre közelebb kerülünk a neurodegeneratív betegségek molekuláris szintű megértéséhez és az öregkori elbutulás majdani gyógyításához.

Forrás: ELTE TTK