Исследователи Института цитологии Российской академии наук (ИНЦ РАН) показали, что плотное макромолекулярное окружение, характерное для клеток и тканей, может снижать эффективность разрушения амилоидных фибрилл ферментами иммунной системы. Полученные результаты помогают объяснить, почему эти патологические белковые агрегаты, накапливающиеся в клетках мозга при болезни Паркинсона, могут длительное время сохраняться в организме, несмотря на наличие ферментов, потенциально способных их разрушать. Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Protein Science.
Амилоидные фибриллы представляют собой упорядоченные белковые агрегаты, накопление которых приводит клеточной гибели и ассоциировано с развитием ряда тяжелых нейродегенеративных и системных заболеваний, например, болезнь Паркинсона. Одним из перспективных направлений антиамилоидной терапии считается деградация зрелых амилоидных агрегатов, в том числе с участием ферментов иммунной системы. Однако результаты, получаемые в лабораторных экспериментах в разбавленных растворах, не всегда могут быть напрямую перенесены на условия организма, где амилоидные фибриллы находятся в условиях макромолекулярной скученности.
Сотрудники ИНЦ РАН решили проверить, влияет ли плотное молекулярное окружение на способность протеолитических ферментов разрушать амилоидные фибриллы альфа-синуклеина, формирующего патологические агрегаты в мозге при болезни Паркинсона. В работе были изучено воздействие трех иммунных протеаз: катепсина B, катепсина D и матриксной металлопротеиназы-9 (MMP9).
«Ранее мы показали, что протеазы иммунной системы способны по-разному ремоделировать амилоидные фибриллы. В этой работе мы попытались ответить на вопрос о том, сохраняется ли это действие в условиях, которые лучше отражают насыщенную макромолекулами среду клетки или ткани. Оказалось, что такой макромолекулярный краудинг не является пассивным фоном, а становится важным фактором, ограничивающим ферментативную деградацию амилоидов. Обнаруженный эффект оказался концентрационно-зависимым и наиболее ярко выражен при использовании низкомолекулярных краудинг-агентов», — рассказывает научный сотрудник Лаборатории морфологии клетки ИНЦ РАН Максим Сулацкий.
Ученые установили, что в разбавленной среде катепсин B, катепсин D и MMP9 вызывают выраженные изменения амилоидных агрегатов: уменьшают плотность фибриллярных кластеров, способствуют фрагментации и деструктурированию фибрилл. Однако в условиях макромолекулярного краудинга эти процессы существенно подавляются. При этом контрольные эксперименты показали, что в тех же условиях ферменты сохраняют способность расщеплять мономерный альфа-синуклеин. Таким образом, макромолекулярный краудинг, вероятно, не просто подавляет активность ферментов, а ограничивает их доступ к поверхности крупных амилоидных агрегатов и стабилизирует сами фибриллы.
Исследователи также показали, что плотное макромолекулярное окружение влияет и на биологические последствия ферментативной обработки амилоидов. В разбавленной среде продукты деградации по-разному изменяли жизнеспособность клеток, тогда как в условиях краудинга эти эффекты частично нивелировались. Это подтверждает, что при оценке антиамилоидных воздействий важно учитывать не только сам факт разрушения фибрилл, но и свойства образующихся продуктов деградации.
«Полученные данные показывают, что плотная биологическая среда может формировать своеобразный барьер, защищающий амилоидные фибриллы от ферментативного разрушения, что может приводить к существенным различиям в эффективности антиамилоидного воздействия протеаз «в пробирке» и в живой ткани. В связи с этим при оценке применимости разрабатываемых антиамилоидных агентов необходимо учитывать микроокружение, доступность фибрилл и цитотоксический профиль продуктов деградации», — поясняет ведущий научный сотрудник Лаборатории структурной динамики, стабильности и фолдинга белков ИНЦ РАН Анна Сулацкая.
Исследования выполнены при поддержке гранта Российского научного фонда (№ 23-74-10092).