Wissenschaftler der Northwestern University und der University of California, Santa Barbara, haben das erste synthetische Tau-Proteinfragment hergestellt, das wie ein Prion wirkt. Das „Mini-Prion“ faltet sich und stapelt sich zu Strängen (oder Fibrillen) fehlgefalteter Tau-Proteine, die ihre abnormal gefaltete Form dann auf andere normale Tau-Proteine ??übertragen.
Fehlgefaltete, prionenähnliche Proteine ??sind ursächlich für das Fortschreiten von Tauopathien, einer Gruppe neurodegenerativer Erkrankungen – darunter auch Alzheimer –, die durch eine abnorme Ansammlung fehlgefalteter Tau-Proteine ??im Gehirn gekennzeichnet sind. Durch die Untersuchung einer minimalen synthetischen Version des menschlichen Tau-Proteins in voller Länge können Wissenschaftler die Fibrillenstruktur mit fehlgefalteten Tau-Proteinen besser nachbilden. Dies könnte möglicherweise zu gezielten Diagnose- und Therapiemethoden führen, die für neurodegenerative Erkrankungen dringend benötigt werden.
Während der Entwicklung des synthetischen Proteins gewannen die Wissenschaftler auch neue Erkenntnisse über die Rolle des Wassers an der Proteinoberfläche, das den Fehlfaltungsprozess steuert. Eine Mutation, die häufig zur Modellierung von Tau-assoziierten Erkrankungen verwendet wird, verändert die dynamische Wasserstruktur in der unmittelbaren Umgebung des Tau-Proteins subtil, wie die Forscher herausfanden. Diese veränderte Wasserstruktur beeinflusst die Fähigkeit des Proteins, seine abnormale Form anzunehmen.
Die Studie wird in der Woche vom 28. April in den Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht .
„Das Spektrum neurodegenerativer Erkrankungen, an denen das Protein Tau beteiligt ist, ist besonders groß“, sagte Songi Han von der Northwestern University , der die Studie leitete. „Dazu gehören die chronische traumatische Enzephalopathie, die bei Footballspielern nach einem Schädeltrauma auftritt, die kortikobasale Degeneration oder die progressive supernukleäre Lähmung. Die Schaffung selbstpropagierender Tau-Fragmente, die die für jede Tauopathie-Erkrankung einzigartige Fibrillenstruktur und Fehlfaltung nachbilden können, ist ein entscheidender Fortschritt für unser Verständnis und unsere Modellierung dieser komplexen Erkrankungen.“
Han ist Mark and Nancy Ratner Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences der Northwestern University und Mitglied des Chemistry of Life Processes Institute , des Applied Physics Graduate Program , des International Institute of Nanotechnology , des Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy und des Institute for Quantum Information Research and Engineering . Michael Vigers, ein ehemaliger Doktorand in Hans Labor , leitete die Studie und ist Erstautor. Zu den Coautoren von der UC Santa Barbara zählen Kenneth S. Kosik, Joan-Emma Shea und M. Scott Shell. Die Arbeit wurde außerdem durch mehrere Studenten und Postdoktoranden ermöglicht, darunter Saeed Najafi, Samuel Lobo, Karen Tsay, Austin Dubose und Andrew P. Longhini.
Bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen kommt es zu Fehlfaltungen von Proteinen und deren Verklumpung zu schädlichen, hochgeordneten Fibrillen, die letztlich die Gehirngesundheit schädigen, aber schwer zu diagnostizieren sind. Trifft ein normales Protein auf die pathologischen Tau-Fibrillen, verändert es seine Form und passt sich der Fehlfaltung an. Dieser Prozess führt zu einer Kettenreaktion, bei der immer mehr Proteine in den fehlgefalteten, aggregationsanfälligen Zustand übergehen. Obwohl dieses Verhalten Prionen ähnelt, handelt es sich nicht um echte Prionen, die ansteckende Krankheiten von Mensch zu Mensch übertragen können.
Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) konnten Forscher die Struktur der Fibrillen aus Hirngewebeproben entschlüsseln. Obwohl die genaue Bestimmung der Struktur einen bedeutenden Durchbruch darstellte, können Hirnproben erst nach dem Tod eines Patienten entnommen werden. Trotz dramatischer Fortschritte und großem Interesse auf diesem Gebiet ist die endgültige Diagnose von Tau-bedingten neurodegenerativen Erkrankungen erst nach dem Tod möglich.
„Wenn Menschen Anzeichen einer neurodegenerativen Erkrankung zeigen, wird diese heute nicht anhand eines Biomarkers diagnostiziert“, sagte Han. „Ärzte stellen die Diagnose durch eine Patientenbefragung und die Untersuchung verschiedener Symptome, wie Schlafmuster und Gedächtnis. Der Engpass ist die zuverlässige Bildung von Tau-Fibrillen, die die entscheidenden und einzigartigen Krankheitsmerkmale nachbilden und als Zielmoleküle für die Entwicklung diagnostischer Strategien dienen.“
Ein vereinfachtes Modell
Um dieser Herausforderung zu begegnen, wollten Han und ihr Team ein synthetisches, prionenähnliches Tau-Protein entwickeln. Anstatt das gesamte, lange und unhandliche Protein nachzubilden, wollte Hans Team das kürzeste Stück Tau identifizieren, das noch eine Fehlfaltung annehmen und krankheitsähnliche Fibrillen bilden kann.
Schließlich konzentrierten sich Han und ihr Team auf ein kurzes Tau-Segment namens jR2R3, das nur 19 Aminosäuren lang ist. Dieses Segment enthält eine Mutation namens P301L, die häufig bei vielen Krankheiten auftritt. Die Forscher fanden heraus, dass dieses kurze Peptid die schädlichen Fibrillen bilden kann, die das Kennzeichen dieser Krankheiten sind, und als „Keim“ für die Fehlfaltung und Aggregation von Tau-Proteinen in voller Länge fungieren kann.
„Wir haben eine Mini-Version entwickelt, die leichter zu kontrollieren ist“, sagte Han. „Sie macht aber dieselben Dinge wie die Vollversion. Sie sorgt für die Aussaat, wodurch normales Tau-Protein sich falsch faltet und die Fibrillen verbindet.“
Mittels Kryo-EM untersuchte das Team die Struktur der synthetischen Fibrillen. Sie fanden heraus, dass die P301L-Mutation eine spezifische Art der Fehlfaltung begünstigt, die häufig in Proben von Patienten mit Neurodegeneration beobachtet wird. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Mutation eine entscheidende Rolle bei der Fehlfaltung des Proteins spielt.
Die Form des Wassers
Als nächstes wollte Han verstehen, wie die zunächst ungeordneten Tau-Proteine zu hochgeordneten Fibrillenstrukturen zusammenwachsen. Sie verglich das mysteriöse Phänomen damit, schlaffe Spaghettistränge zusammenzuwerfen und zu erwarten, dass sie einen ordentlichen Stapel bilden.
„Es ist unmöglich, dass ein intrinsisch ungeordnetes Protein einfach auf natürliche Weise eine perfekte Faltung und Stapelung einnimmt, die sich für immer regenerieren kann“, sagte Han. „Das ergibt keinen Sinn.“
Nachdem Han die Hypothese aufgestellt hatte, dass etwas die fehlgefalteten Proteine zusammenhalten müsse, fand er den Schlüssel: Wasser. Die Umgebung eines Proteins, insbesondere die Wassermoleküle, spielen eine entscheidende Rolle bei der Proteinfaltung und -aggregation. Die P301L-Mutation scheint die Struktur des Tau-Proteins direkt zu verändern und auch das Verhalten der umgebenden Wassermoleküle zu beeinflussen.
„Wasser ist ein flüssiges Molekül, hat aber dennoch eine Struktur“, sagte Han. „Die Mutation im Peptid könnte zu einer strukturierteren Anordnung der Wassermoleküle um die Mutationsstelle herum führen. Dieses strukturierte Wasser beeinflusst, wie das Peptid mit anderen Molekülen interagiert und sie zusammenhält.“
Mit anderen Worten: Organisiertes Wasser fixiert die Proteine, sodass sich einzelne Stränge zu einem ordentlichen Stapel zusammenfalten. Anschließend rekrutieren die Fibrillen mithilfe ihres prionenähnlichen Verhaltens andere Proteine, die sich falsch falten und den Stapel zusammenfügen.
DOI
10.1073/pnas.2421391122
