Измерение модифицированных структур белков

Швейцарские исследователи разработали новый подход для измерения белков с изменяющейся структурой. Это может позволить создать новые диагностические инструменты для раннего распознавания нейродегенеративных заболеваний.

Клетки регулируют функции белков множеством способов, включая модификацию их структуры. В одно мгновение белок может принять другую форму и выполнять никакую или даже «неправильную» функцию: у людей неправильно свернутые белки могут вызывать серьезные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, Паркинсона или муковисцидоз. Некоторые из этих белков также склонны «заражать» другие молекулы того же типа и собираться в нерастворимые так называемые амилоидные фибриллы или бляшки. Эти амилоиды могут повреждать клетки и ткани и вызывать болезни.

Метод ломает оковы

До сих пор не хватало методов, позволяющих количественно регистрировать структурно модифицированные белки в сложных биологических образцах. Хотя существует ряд техник для изучения таких белков, таких как рентгеновская кристаллография, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (NMR) и другие спектроскопические методы, их нельзя использовать для анализа сложных биологических образцов. Другие процедуры, которые исследователи использовали для изучения структурных изменений белков в клетках, также имеют свои ограничения: перед анализом интересующие белки необходимо специфически пометить, чтобы ученые могли наблюдать их в образцах. Однако этот подход возможен лишь для немногих белков в образце.

Команда под руководством профессора биологии белковых сетей Паолы Пикотти нашла способ измерить большинство структурно модифицированных белков в любом биологическом образце, который может содержать тысячи различных белков. Им удалось измерить количества структурно модифицированных белков непосредственно из сложной белковой смеси, как она встречается в клетках, без очистки или обогащения образцов.

Комбинация нескольких методов

Для своего нового метода исследователи объединили «старую» технику и современный подход из протеомных исследований.

1. В образец добавляются знакомые старые пищеварительные ферменты, такие как протеиназа K, которые разрезают белки в зависимости от их структуры на более мелкие фрагменты — пептиды.
2. Затем фрагменты можно измерить с помощью техники Selected Reaction Monitoring (SRM), в разработке которой Пикотти сыграла ключевую роль. Этот метод позволяет целенаправленно искать множество различных пептидов и измерять их количество.
3. На основе найденных пептидов можно определить и количественно оценить белки, изначально присутствовавшие в образце.

Особенность в том, что пищеварительные ферменты разрезают один и тот же тип белка, имеющий разные структуры, в разных местах, что приводит к разнообразным фрагментам. Как отпечаток пальца, эти фрагменты могут быть однозначно отнесены к индивидуальным структурам белка.

«Это означает, что мы можем использовать метод для целенаправленного анализа структурных изменений конкретных белков или целых белковых сетей и измерения множества белков одновременно», — говорит Пикотти.

Работает для белка, ответственного за болезнь Паркинсона

На основе своего нового метода исследователи разработали тест для специфического измерения «здоровой» и «больной» версий белка альфа-синуклеина в сложных, неочищенных образцах, таких как кровь или спинномозговая жидкость. Считается, что альфа-синуклеин вызывает болезнь Паркинсона при изменении его структуры. Патологическая структурная разновидность собирается с себе подобными, образуя амилоидные фибриллы, которые вредят нейронным клеткам.

С помощью теста ученым удалось измерить точное количество патогенного и непатогенного альфа-синуклеина непосредственно в сложном образце. Тест также дал информацию о структуре белка. «Он показывает нам, какие части белка изменяются и превращаются в новую патологическую структуру», — говорит Пикотти.

Растущее число амилоидозов

На данный момент концентрацию альфа-синуклеина нельзя использовать в качестве биомаркера, поскольку уровни этого белка слишком схожи в крови или спинномозговой жидкости пациентов с болезнью Паркинсона и здоровых людей. «Тем не менее, возможно, что соотношение патологической и непатогенной структур альфа-синуклеина меняется со временем, по мере прогрессирования заболевания», — предполагает профессор ETH Zurich. «Поскольку новый метод позволяет нам измерять обе структуры белка альфа-синуклеина в большом разнообразии образцов, в будущем это может быть использовано для разработки новых биомаркеров этого заболевания», — надеется она. Используя этот метод, также можно представить себе открытие других, еще неизвестных амилоид-образующих белков, связанных с заболеваниями, без предварительных знаний.

Оба применения — количественное определение конкретного известного белка с модифицированной структурой и открытие новых белков с вариантами структур — имеют высокую медицинскую значимость, объясняет Пикотти. «Количество амилоидозов, то есть заболеваний, развивающихся из-за изменений в структуре белков, увеличивается с каждым годом».