Nemoci způsobené patologickou konformací proteinů Alice Skoumalová

„Nemoci způsobené patologickou konformací proteinů“ Konformační změna: změna sekundární, terciální a kvartérní struktury proteinu, aniž by se změnila primární struktura bílkovina získává toxickou aktivitu nebo ztrácí přirozenou funkci „Nemoci způsobené patologickou konformací proteinů“ nemoci vyplývající z poruch konformace proteinů Struktura proteinů: primární, sekundární (α-helix, β-skládaný list), terciální Biologická úloha bílkovin závisí na terciální struktuře

Alternativní konformace: Různé funkce proteinu Patologický protein Lokální minima (alternativní konformace) Globální minimum (nativní stav) Protein se zavinuje tak, aby byla co nejmenší jeho volná energie. Existuje však několik alternativních konformací. Alternativní konformace: Různé funkce proteinu Patologický protein

Normální protein (nativní struktura) α-helix β-skládaný list konformační změna Normální protein (nativní struktura) Protein způsobující onemocnění (patologická konformace) Agregace Toxická aktivita Ztráta funkce

Společný znak nemocí způsobených patologickou konformací proteinů Společný znak nemocí způsobených patologickou konformací proteinů je tvorba struktur β-skládaného listu Tvorba β-skládaného listu je obvykle stabilizována oligomerizací a agregací proteinu Důsledkem tohoto procesu vznikají depozita amyloidu podobných agregátů v nejrůznějších orgánech, dochází k jejich poškození a ztrátě funkcí Konformační defekt způsobuje nemoc! (nemoci způsobené patologickou konformací proteinů)

Nemoci Proteiny Alzheimerova choroba Amyloid-β Parkinsonova choroba α-Synuclein Diabetes mellitus typ II. Amylin Amyotrofická laterální sklerosa Superoxid dismutasa Amyloidosa spojená s hemodialisou β2-mikroglobulin Cystická fibrosa Cystická fibrosa transmembránový regulátor (chloridový kanál) Srpkovitá anémie Hemoglobin Hungtingtonova choroba Huntingtin Creutzfeldt-Jakobova nemoc Prion protein Amyloidosy 10 různých proteinů

Polymerizační hypotesa Konformační hypotesa Konformačně-oligomerizační hypotesa

Polymerizační hypotesa Agregace nastartuje konformační změny proteinů. Konformační hypotesa Konformační změny jsou nezávislé na agregaci, která může i nemusí následovat. Faktory působící strukturální změny proteinů (mutace, oxidační stres). Konformačně-oligomerizační hypotesa Mírné konformační změny vyústí v tvorbu nestabilního intermediátu, který reaguje s jinými molekulami a tvoří oligomery β-skládaného listu. Tyto oligomery se dále shlukují a vznikají amyloidní fibrily. Strukturální změny vedou ke vzniku patologické bílkoviny, která spouští oligomerizaci, a ta je nutnou podmínkou pro stabilizaci konformačních změn.

Degradace (systém kontroly kvality proteinů) Neurodegenerativní nemoci Rozpoznání Prionové onemocnění Degradace (systém kontroly kvality proteinů) 1.Chaperony 2. Systém ubikvitin proteasom

Ukládání (Amyloidosy) Ubikvitin Ribosom RNA ATP Chaperony Nativní protein Protein s patologickou konformací Agregát/fibrilární amyloid Chaperony Proteasom Ukládání (Amyloidosy) Degradovaný protein Toxická bílkovina (Alzheimerova choroba) Ztráta funkce (Cystická fibrosa)

Systém kontroly kvality proteinů Protein quality control in the cell Interplay of molecular chaperones and proteases in the cell. Substrate proteins are shown in red; an ATP-dependent chaperone, such as GroEl, is shown in bluse; a Clp chaperone is purple and is associated with a compartmentalized protease shown in green. Molecular chaperones play a critical role in protein quality control during the course of cell growth as well as during stress conditions. Normal protein synthesis produces nascent unfolded proteins. Although some nascent polypeptides are able to fold spontaneously (1), others require the action of molecular chaperones, icluding members of the DnaK/Hsp70 and GroEL/Hsp60 families, to facilitate folding (2). Unfolded and misfolded proteins also arise in cells as a result of environmental stresses, such as heat shock, or pathologic conditions, such as inflammation, tissue damage, infection, and genetic diseases involving mutant proteins. Molecular chaperones are able to refold and reactive some misfolded proteins (2). Ther irreversibly misfolded proteins are recognized by the proteasome. These multicomponent proteases use associated chaperones to unfold and deliver damaged proteins to the proteases for degradation (3). Finally, proteins that are neither refolded nor degraded form insoluble aggregates in the cell (4). Aggregates are not always an end product, but can be dissolved by molecular chaperones.

Chaperony Pomáhají získat proteinům 3D strukturu Chrání před vznikem patologických konformací Molekulární Rozpoznávají patologický protein, vážou se na hydrofobní povrch a inhibují agregaci. Patří se hlavně tzv. heat shock proteiny (vznikající při tepelném poškození)-chrání před denaturací. Chemické Upravují podmínky uvnitř buněk, stabilizují proteiny proti tepelné a chemické denaturaci (glycerol). 3. Farmakologické Váží se na specifickou konformaci, stabilizují ji. Prevence před proteosomální degradací.

Důsledek patologické konformace proteinů Vznik toxické bílkoviny Neurodegenerativní onemocnění - chronické, progresivní onemocnění; ztráta neuronů; kumulace patologických proteinů a vznik agregátů (Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba, Hungtingtonova choroba) Ztráta funkce Cystická fibrosa - mutace genu pro chloridový kanál Ukládání Amyloidosy - fibrily nejsou toxické, ale nerozpustné. Ukládání způsobuje poškození tkání.

Alzheimerova choroba Progresivní degenerativní onemocnění mozku Extracelulární deposita amyloidu β (v senilních placích a mozkových cévách) Aβ - z prekurzoru; oxidační stres - změny v terciální struktuře - β-sheet struktury; oligomerizace a agregace; ukládání ve formě amyloidu rezistentního k proteolýze Korelace mezi ukládáním Aβ a tíží klinických symptomů

Patogeneze Alzheimerovy choroby Amyloid β vzniká v důsledku sestřihu prekursoru; agregace a ukládání (amyloidní plaky u Alzheimerovy choroby); patogeneze AD

Terapie Inhibice a opravení konformačních změn Vývoj nových peptidů (β-sheet breakers) Chaperony: důležitá úloha v kontrole zavinování, experimentálně studovány

Otázky Hlavní znak nemocí způsobených patologickou konformací proteinů? Jak vypadá nativní protein a protein s patologickou konformací? Důsledek vzniku proteinu s patologickou konformací? (3) Termodynamika zavinování proteinu, model. Osud patologického proteinu v buňce. Co jsou to chaperony? Dělení. Možnosti terapie nemocí způsobených patologickou konformací. Souvislost neurodegenerativních chorob a patologické konformace proteinů

Shrnutí Porucha zavinování peptidu vede ke vzniku patologické konformace Protein s patologickou konformací způsobuje onemocnění Patří sem např. Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba, diabetes mellitus, cystická fibrosa, amyloidosy Terapeutické možnosti jsou náprava patologické konformace