Дослідження під керівництвом Stanford Medicine виявили, що мутації в комплексі згортання білка пов’язані з розладами розвитку, що характеризуються судомами та інтелектуальною недостатністю. У 1992 році Джудіт Фрідман, доктор філософії, виявила молекулярний комплекс, який має важливе призначення для всіх наших клітин: правильно згортати білки.
Комплекс, тип «білкового шаперона», відомий як TRiC, допомагає згортати тисячі білків людини: пізніше було виявлено, що близько 10% усіх наших білків проходять через його стовбурову структуру.
Усі тварини мають кілька різних типів білкових шаперонів, кожен з яких виконує власну роботу, допомагаючи згортати білки в клітині. TRiC зв’язується з білками новонароджених і формує ці рядки амінокислот у правильні тривимірні структури, що дозволяє їм виконувати свої важливі функції в клітині.
Фрідман, кафедра Дональда Кеннеді в Школі гуманітарних наук і наук і професор біології та генетики, зустріла Інго Курта, доктора медичних наук, педіатра з Аахенського університету RWTH, під час нещодавньої відпустки в Німеччині, який поставив її перед цікавою головоломкою. Через три десятиліття після відкриття Фрідмана та багатьох інших уявлень про механізм TRiC пізніше педіатр виявив мутацію в одному з компонентів TRiC у дитини з інтелектуальною недостатністю, судомами та вадами розвитку мозку.
Чи може мутація TRiC відповідати за симптоми у дитини? Хоча дисфункції в комплексі пов’язані з раком і хворобою Альцгеймера, мутації зародкової лінії — мутації, присутні в усіх клітинах організму — у TRiC ніколи не були причетні до розвитку захворювання. Оскільки білки повинні правильно згортатися, щоб правильно функціонувати, і оскільки TRiC бере участь у формуванні такої кількості білків, вчені припустили, що будь-яка мутація, яка змінить здатність TRiC згортати білки, буде смертельною.
Фрідман та її команда лабораторії налагодили співпрацю з дослідниками RWTH Аахенського університету, щоб дізнатися більше. Разом зі співробітниками з Медичної школи Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, штат Міссурі, команда дослідила, як мутація цього пацієнта, яка є в гені, відомому як CCT3, впливає на функцію TRiC у круглих черв’яків, пекарських дріжджів і рибок даніо. Тим часом педіатри прочесали генетичну базу даних пацієнтів з інтелектуальною недостатністю та вадами нервового розвитку, подібними до тих, що були у початкового пацієнта. Вони виявили ще 21 випадок пацієнтів із подібними симптомами, хоча й різного ступеня тяжкості, з мутаціями в 7 із 8 компонентів TRiC. Лабораторія Фрідмана показала, що всі додаткові 21 мутації порушують функцію TRiC, причинно пов’язуючи дефекти TRiC із розладами мозку.
Новий клас захворювання
Дослідники назвали цей новий клас неврологічних захворювань «TRiCopathies» і описали свої висновки в статті, опублікованій нещодавно в Science. Відтоді команда знайшла ще одного пацієнта з мутаціями у восьмій субодиниці TRiC.
«Це відкриває абсолютно новий спосіб думати про роль шаперонів у розвитку мозку», — сказав Фрідман, який є одним зі старших авторів дослідження.
Усі пацієнти, яких виявили дослідники, мають одну здорову копію гена комплексу TRiC на додаток до мутованої версії. Це узгоджується з важливістю шаперона — дві мутовані копії будь-якого з цих генів, швидше за все, будуть смертельними. Незважаючи на те, що деякі пацієнти також мають м’язову недостатність, цікаво, що основний ефект цих мутацій, здається, є неврологічним, сказав Фрідман. Це може вказувати на величезну роль цього наглядача в розвитку мозку.
Протягом багатьох років її лабораторія розробляла методи дослідження комплексу в дріжджових клітинах, а також ізольованих у пробірках. Вчений-дослідник П’єр Родрігес-Аліага, доктор філософії, співавтор дослідження, вніс мутації в дріжджові версії генів TRiC, які відповідали 22 мутаціям, пов’язаним із захворюваннями людини. Він виявив, що деякі з цих мутацій призвели до загибелі клітин, але деякі ні, що вказує на те, що різні мутації мають різні ефекти залежно від розташування цих мутацій у комплексі TRiC, що може пояснити різноманітність симптомів, які спостерігаються у пацієнтів.
Інші дослідники в колаборації зробили подібні мутації в аскаридах і рибках даніо, щоб вивчити, як мутації вплинули на багатоклітинних тварин і, у випадку рибок даніо, на розвиток мозку.
У всіх трьох організмах дослідники виявили, що лише мутована версія CCT3, ген TRiC, була смертельною. У черв’яків і рибок даніо, які, як і ми, мають дві копії всіх своїх генів, тварини з однією мутованою копією та однією здоровою копією вижили, але мутована версія викликала проблеми з розвитком. Риби даніо з одним мутованим геном CCT3 показали дефекти розвитку мозку, подібні до тих, що спостерігаються у пацієнтів-людей, а черв’яки з мутованим геном мали проблеми з рухом.
Неправильне згортання білків і неврологічні наслідки
Хоча неясно, який неправильно згорнутий білок або білки можуть бути причиною неврологічних симптомів, дослідники підозрюють, що це залучені структурні білки, відомі як актин і тубулін. Ці білки важливі для руху клітин і внутрішньої стабільності, і, як відомо, вони згортаються TRiC. Черви, що несуть мутації TRiC, мали крихітні агрегати актину, яких немає у здорових тварин, явище, яке часто трапляється з неправильно згорнутими білками. Органели, необхідні для отримання енергії, звані мітохондріями, які є ключовими для функціонування нейронів, також постраждали.
Фрідман і Родрігес-Аліага планують більш детально вивчити механізм пов’язаних із захворюванням мутацій, досліджуючи, як вони впливають на здатність TRiC згортати білки, використовуючи методи, які вони встановили у своїй лабораторії для вивчення згортання білків. Вони також хочуть використовувати отримані від пацієнтів клітини, які вони можуть виростити в нейрони або органоїди мозку в лабораторії, щоб побачити, як мутації впливають на клітини людського мозку.
«Ця робота є гарним прикладом зв’язку фундаментальної науки з медициною», — сказав Родрігес-Аліага. «Дослідження було б неможливим без усіх років біохімії та біофізики, проведених у TRiC з 1992 року».