A fehérjék aggregációja (vagy aggregációs / agglomerációs fehérje ) egy olyan biológiai jelenség, amelyben a fehérjék gyengén hajtogatott aggregátumai (vagyis felhalmozódnak és csoportosulnak), tehát intra-, mint sejten kívül. Ezek a fehérje aggregátumok gyakran összefüggnek a betegséggel . Valójában a fehérje-aggregátumok sokféle betegségben szerepet játszanak, amelyeket amiloidózisnak neveznek , beleértve az ALS-t , az Alzheimer- és a Parkinson- kórokat és a prionbetegségeket .
Szintézisük után a fehérjéknek szokásuk egy adott háromdimenziós konformációba hajtódni, amely termodinamikailag a számukra a legkedvezőbb: natív állapotuk . Ezt a hajtogatási folyamatot a hidrofób hatás vezérli , amely a fehérje hidrofób részeinek azon tendenciája, hogy megpróbálják megvédeni magukat a sejt hidrofil környezetétől a fehérje belsejében történő lyukasztással. Tehát a fehérje külseje tipikusan hidrofil, míg a belseje tipikusan hidrofób.
A fehérjeszerkezeteket nem kovalens kötések és két ciszteinmaradékot összekötő diszulfidkötések stabilizálják . A nem kovalens kölcsönhatások közé tartoznak az ionos kötések és a gyenge van der Waals kölcsönhatások . Az ionos kölcsönhatások az anion és a kation között alakulnak ki, és sóhidakat képeznek, amelyek segítenek a fehérje stabilizálásában. A Van der Waals kölcsönhatások közé tartoznak a nempoláris kölcsönhatások ( londoni erők ) és a poláris kölcsönhatások ( hidrogénkötések , intermolekuláris erők ). Ezek fontos szerepet játszanak a fehérjék szekunder struktúrájában , például alfa-spirál vagy béta lap kialakításában , valamint harmadlagos szerkezetükben . A kölcsönhatások közötti aminosav -maradék egy adott fehérje nagyon fontos a végső szerkezetét, hogy fehérje.
Ha a nem kovalens interakciókban változások vannak, amik az aminosav-szekvencia változásából következhetnek be, akkor valószínűleg a fehérje rosszul vagy egyáltalán nem hajtogat. Ebben a típusú helyzetben, ha a sejt nem segít a fehérjéknek ezt a hajtogatási hibát kijavítani vagy elpusztítani, össze tudnak tömörülni, és ebben a folyamatban a fehérjék kitett hidrofób részei kölcsönhatásba léphetnek a kitett hidrofób részekkel. fehérjék. A fehérje-aggregátumok három fő típusa képződhet: amorf aggregátumok, oligomerek és amiloid fibrillák .
A fehérjék összesítése több okból is megvalósulhat. Négy osztályba sorolhatók ezek az okok, amelyeket az alábbiakban részletezünk.
A mutációk előforduló szekvenciában a DNS lehet vagy nem befolyásolja az aminosavszekvenciát a fehérje. Ha a szekvencia érintett, egy másik aminosav megváltoztathatja az oldalláncok közötti kölcsönhatásokat , ami befolyásolja a fehérje hajtogatását. Ez a fehérje hidrofób régióinak kitettségéhez vezethet, amelyek ugyanazzal a rosszul összehajtott vagy kibontott fehérjével, vagy egy másik fehérjével aggregálódnak.
A magukat a fehérjéket érintő mutációk mellett a fehérje-aggregációt közvetett módon a fehérjékben olyan szabályozási utak során előforduló mutációk is kiválthatják, mint például a hajtogatási útvonal ( chaperonok ) vagy az ubiquitin-proteasoma útvonal ( ubiquitin-ligázok ). A kaperonok elősegítik a fehérjék felhajtását, biztonságos környezetet biztosítva számukra. Az ubiquitin ligázok megcélozzák a fehérjéket, amelyeket az ubiquitin módosításával kell lebontani .
A fehérje aggregációt a transzkripció vagy a transzláció során felmerülő problémák okozhatják . A transzkripció során a DNS-t átmásolják az mRNS-be , egy pre-mRNS- szálat képezve, amely poszt-transzkripciós módosításokon megy keresztül, hogy mRNS - t képezzen. A transzláció során a riboszómák és az RNS-ek segítenek az mRNS-szekvencia aminosav-szekvenciává történő átalakításában. Ha a két lépés bármelyikében hibák lépnek fel, amelyek helytelen mRNS-szálat vagy aminosav-szekvenciát eredményeznek, ez a fehérje hibás hajtogatásához vezet, ami fehérje-aggregációhoz vezet.
A környezeti stresszek, mint például a szélsőséges hőmérséklet vagy pH , vagy az oxidatív stressz , szintén fehérje aggregációhoz vezethetnek. Az ilyen típusú stressz által okozott betegségre példa a krioglobulinémia .
A szélsőséges hőmérsékletek gyengíthetik és destabilizálhatják az aminosavmaradékok közötti nem kovalens kötéseket. Az adott fehérje pH-tartományán kívül eső PH-k megváltoztathatják az aminosavak protonációs állapotát , ami növelheti vagy csökkentheti a nem kovalens kölcsönhatásokat. A fehérje kevésbé stabil kötődéséhez és ezért nem hajtogatásához is vezethet.
Az oxidatív stresszt olyan gyökök okozhatják, mint az ROS . Ezek az instabil gyökök megtámadhatják az aminosavakat, ami oldalláncok (például aromás oldalláncok vagy metionin oldalláncok ) oxidációjához és / vagy a polipeptidkötések hasításához vezet. Ez befolyásolhatja azokat a nem kovalens kötéseket, amelyek a fehérjét megfelelő formában tartják, ami a fehérje destabilizálódását okozhatja, és ezáltal megakadályozhatja a fehérje összecsukódását.
A sejtek olyan mechanizmusokkal rendelkeznek, amelyek képesek újratekerni vagy lebontani a fehérje aggregátumokat. A sejtek öregedésével azonban ezek a kontrollmechanizmusok kevésbé hatékonyak, és a sejt kevésbé képes átvenni ezeket az aggregátumokat.
Az a hipotézis, miszerint a fehérje aggregáció az öregedés következményes folyamata, most tesztelhető, mert a késleltetett öregedés bizonyos modelljei kidolgozás alatt állnak. Ha a fehérje-aggregátumok fejlődése az öregedéstől független folyamat lenne, akkor ennek az öregedésnek a lassítása nem lenne hatással a proteotoxicitás időbeli változására. Ha azonban az öregedés a proteotoxicitás elleni védőmechanizmusok aktivitásának csökkenésével járna, a lassított öregedés modelljei mutatnák az aggregáció és a proteotoxicitás csökkenését. Annak érdekében, hogy megoldja ezt a problémát, több toxicitási vizsgálatokat végeztünk a fonalféreg C. elegans . Ezek a vizsgálatok kimutatták, hogy az inzulin / IGF jelátviteli aktivitás csökkentése, amely egy jól ismert öregedési szabályozási út, véd a neurodegenerációval járó toxikus fehérje-aggregáció ellen. Ennek a megközelítésnek az érvényességét kipróbálták és megerősítették emlősökben , mivel csökkentette az IGF-1 jelátviteli út védett , Alzheimer-kórban szenvedő vizsgálati egerek aktivitását a betegséggel kapcsolatos viselkedés és károsodások megjelenése miatt.
Számos tanulmány kimutatta, hogy a fehérje aggregációra adott sejtes válaszok jól szabályozottak és szervezettek. A fehérje aggregátumok a sejt meghatározott területein helyezkednek el, és a kutatások ezekre a területekre összpontosítottak prokariótákban ( E. coli ) és eukariótákban ( élesztő , emlős sejtek).
A baktériumok aggregátumai aszimmetrikusan találhatók a sejt egyik pólusánál , az " idősebb pólusnál ". A sejtosztódást követően a több elülső pólust tartalmazó leánysejt megszerzi a fehérje aggregátumot, és lassabban növekszik, mint a leánysejt az aggregátum nélkül. Ez a természetes szelekció mechanizmusát képezi a baktériumok populációjában a fehérje aggregátumok csökkentésére.
Az élesztősejtek legtöbb fehérje aggregátumának hajtogatási hibáját chaperonok javítják. Egyes aggregátumok hajtáshibája azonban nem korrigálható, például az oxidatív stressz által károsított fehérjék vagy a lebontásra szánt fehérjék. Ehelyett átirányítható egy két rekesz: a JUxtaNuclear minőség-ellenőrző rekesz ( JUNQ ), közel a nukleáris membrán, és az oldhatatlan fehérje Betét vagy IPOD angolul), közel a vacuole az élesztő sejtekben. A fehérje aggregátumok akkor kerülnek a JUNQ-ba, amikor azokat mindenütt felszámolják és lebontásra szánják, míg az összetapadt és oldhatatlan fehérjék hosszabb tárolás céljából az IPOD-ba kerülnek. Az eredmények azt mutatták, hogy az ezen a helyen található fehérjék autofágia útján eltávolíthatók . Ez a két lehetőség úgy működik együtt, hogy a fehérjék hajlamosak az IPOD felé menni, amikor a proteaszóma út túlterhelt.
Az emlőssejtekben ezeket a fehérje-aggregátumokat "agresomáknak" nevezik, és akkor képződnek, amikor a sejt beteg. Ez azért történik, mert az aggregátumok általában akkor képződnek, amikor heterológ fehérjék vannak jelen a sejtben, ami akkor fordulhat elő, amikor a sejt mutálódik. Az ubiquitin ligáz E3 képes felismerni a rosszul összehajtott fehérjéket és ubiquitinizálni őket. HDAC6 azután kötődnek ubiquitin és a motor fehérje dyneinproteineket szállítani a „címkézett” aggregátumok a centrosoma . Odaérve összeállnak egy olyan szférában, amely körülveszi a centroszómát. Chaperonákat és proteázómákat biztosítanak, és aktiválják az autofágia működését.
A sejtekben két fő "minőség-ellenőrzési" rendszer működik, amelyek felelősek a fehérje-aggregátumok eltávolításáért. A rosszul összehajtott fehérjéket a bi-chaperone-rendszer, az ubiquitin-proteasome rendszer vagy az autofágia képes lebontani.
A bi-chaperone rendszer a Hsp70 (DnaK-DnaJ-GrpE E. coliban és Ssa1-Ydj1 / Sis1-Sse1 / Fe1 élesztõben) és a Hsp100 ( E. coli ClpB és élesztõben Hsp104) chaperonákat használja fel és neo hajtogatja a fehérjéket.
A Hsp70 kölcsönhatásba lép a fehérje aggregátumokkal és toborozza a Hsp100-at. A Hsp70 stabilizálja az aktivált Hsp100-at. Hsp100 van aromás pórus hurkok használt menetvágó aktivitás kibogozni egyetlen polipeptidek. Ez a szálképző tevékenység megindítható az N-terminálison , a C-terminálon vagy a polipeptid közepén . A polipeptid a Hsp100 által transzlokáción megy keresztül egy sor lépésben, amelyek mindegyike ATP-t fogyaszt . A polipeptid önmagában vagy hősokkfehérjék ( hősokkfehérjék ) segítségével nem hajtódik össze, majd neo-hajtogatható .
A rosszul összehajtott fehérjéket az ubiquitin-proteaszóma rendszer távolíthatja el. Ez egy E1-E2-E3 útvonalból áll, amely ubikvitinizálja a fehérjéket, hogy lebontásra szánja őket. Az eukariótákban a fehérjéket a 26S proteaszóma lebontja. Emlős sejtekben az E3 ligáz és a Hsp70-interakcióban lévő karboxi-terminális fehérje a Hsp70-hez kötött fehérjéket célozza meg. Élesztőben az E3 Doa10 és Hrd1 ligázok hasonló funkciókkal rendelkeznek az endoplazmatikus retikulum fehérjéin :
A rosszul összehajtott fehérjéket autofágia is eltávolíthatja, amelynek során a fehérje aggregátumok a lizoszómába kerülnek :
Bár úgy gondolták, hogy az érett fehérje aggregátumok önmagában mérgezőek, a legfrissebb eredmények szerint valójában az éretlen fehérje aggregátumok a legmérgezőbbek. Ezen aggregátumok hidrofób csoportjai kölcsönhatásba léphetnek és károsíthatják a sejt más komponenseit. A hipotézisek szerint a fehérje-aggregátumok toxicitása összefügg a sejtkomponensek megkötésének mechanizmusaival, az ROS keletkezésével, a membrán specifikus receptoraihoz való kötődéssel vagy a membránok megszakadásával. Egy genetikai teszt megállapította, hogy a nagyobb molekulatömegű fajok felelősek a membrán permeabilitásáért. Ismeretes, hogy a fehérje aggregátumok in vitro destabilizálhatják a mesterséges lipid kettős rétegeket, ami membrán permeabilizációhoz vezet.