Agregacja białek (lub agregacji / aglomeracja białka ) jest zjawiskiem biologicznym, w którym białka słabo zagięte agregat (to znaczy, kumulują się i są zgrupowane) tak wewnątrz- jako zewnątrzkomórkowa. Te agregaty białek są często skorelowane z chorobą . W rzeczywistości agregaty białek odgrywają rolę w wielu różnych chorobach, które nazwano amyloidozą , w tym ALS , chorobach Alzheimera i Parkinsona oraz chorobach prionowych .
Białka po ich syntezie mają zwyczaj fałdowania się do określonej konformacji trójwymiarowej, która jest dla nich najbardziej korzystna termodynamicznie : stan naturalny . Proces składania jest napędzany przez działanie hydrofobowe , co jest tendencja części hydrofobowe białek próby zabezpieczenia się z hydrofilowego środowiska w komórce przez wiercenie otworów wewnątrz białka. Zatem strona zewnętrzna białka jest typowo hydrofilowa, podczas gdy jego wnętrze jest typowo hydrofobowe.
Struktury białek są stabilizowane przez wiązania niekowalencyjne i wiązania dwusiarczkowe łączące dwie reszty cysteiny . Oddziaływania niekowalencyjne obejmują wiązania jonowe i słabe oddziaływania van der Waalsa . Oddziaływania jonowe powstają między anionem a kationem i tworzą mostki solne, które pomagają stabilizować białko. Oddziaływania Van der Waalsa obejmują oddziaływania niepolarne ( siły Londynu ) i polarne ( wiązania wodorowe , siły międzycząsteczkowe ). Odgrywają one ważną rolę w strukturze drugorzędowej białek, takich jak tworzenie alfa helisy lub arkusza beta , a także w ich strukturze trzeciorzędowej . Oddziaływania między resztami aminokwasów w danym białku są bardzo ważne dla ostatecznej struktury tego białka.
Kiedy zachodzą zmiany w interakcjach niekowalencyjnych, co może wynikać ze zmiany sekwencji aminokwasów, białko prawdopodobnie źle się zwija lub wcale. W tego typu sytuacji, jeśli komórka nie pomaga białkom w naprawieniu tego fałdującego defektu lub ich zniszczeniu, mogą się one zlepiać, aw tym procesie odsłonięte hydrofobowe części białek mogą wchodzić w interakcje z odsłoniętymi częściami hydrofobowymi. białka. Istnieją trzy główne typy agregatów białek, które mogą tworzyć: agregaty amorficzne, oligomery i włókienka amyloidowe.
Agregacja białek może mieć kilka przyczyn. Istnieją cztery klasy, do których można podzielić te przyczyny, które opisano szczegółowo poniżej.
Te mutacje występujące w sekwencji z DNA może być lub może nie mieć wpływu na sekwencję aminokwasową białka. Jeśli ma to wpływ na sekwencję, inny aminokwas może zmienić interakcje między łańcuchami bocznymi , co wpływa na fałdowanie białka. Może to prowadzić do odsłonięcia hydrofobowych regionów białka, które agregują z tym samym źle sfałdowanym lub nie sfałdowanym białkiem lub z innym białkiem.
Oprócz mutacji wpływających na same białka agregację białek można również wywołać pośrednio przez mutacje występujące w białkach na szlakach regulatorowych, takich jak szlak fałdowania ( chaperony ) lub szlak ubikwityna-proteasom ( ligazy ubikwityny ). Chaperony pomagają białkom fałdować się, zapewniając im bezpieczne środowisko do fałdowania. Ligazy ubikwityny celują w białka, które ulegają degradacji poprzez modyfikację ubikwityny .
Agregacja białek może być spowodowana problemami występującymi podczas transkrypcji lub translacji . Podczas transkrypcji DNA jest kopiowane do mRNA , tworząc nić pre-mRNA, która podlega potranskrypcyjnym modyfikacjom w celu utworzenia mRNA. Podczas translacji rybosomy i RNA pomagają w translacji sekwencji mRNA na sekwencję aminokwasów. Jeśli defekty wystąpią podczas któregokolwiek z tych dwóch etapów, wytwarzając nieprawidłową nić mRNA lub sekwencję aminokwasów, powoduje to nieprawidłowe fałdowanie białka, co prowadzi do agregacji białka.
Stresy środowiskowe, takie jak ekstremalne temperatury lub pH lub stres oksydacyjny, mogą również prowadzić do agregacji białek. Przykładem choroby wywołanej tego typu stresem jest krioglobulinemia .
Ekstremalne temperatury mogą osłabiać i destabilizować niekowalencyjne wiązania między resztami aminokwasów. PH poza zakresem pH danego białka mogą zmieniać stan protonowania aminokwasów, co może zwiększać lub zmniejszać interakcje niekowalencyjne. Może również prowadzić do mniej stabilnego wiązania, a zatem nie fałdowania białka.
Stres oksydacyjny może być spowodowany przez rodniki, takie jak RFT . Te niestabilne rodniki mogą atakować reszty aminokwasowe, prowadząc do utleniania łańcuchów bocznych (takich jak aromatyczne łańcuchy boczne lub metioninowe łańcuchy boczne) i / lub rozszczepienia wiązań polipeptydowych. Może to wpływać na wiązania niekowalencyjne, które utrzymują białko w prawidłowym kształcie, co może powodować destabilizację białka, a tym samym zapobiegać fałdowaniu się białka.
Komórki mają mechanizmy, które mogą ponownie fałdować lub rozkładać agregaty białek. Jednak wraz ze starzeniem się komórek te mechanizmy kontrolne są mniej wydajne i komórka jest mniej zdolna do przejęcia kontroli nad tymi agregatami.
Hipoteza, zgodnie z którą agregacja białek jest konsekwencją procesu starzenia, jest obecnie możliwa do przetestowania, ponieważ opracowywane są pewne modele opóźnionego starzenia. Gdyby rozwój agregatów białkowych był procesem niezależnym od starzenia, spowolnienie tego starzenia nie miałoby wpływu na tempo proteotoksyczności w czasie. Gdyby jednak starzenie się wiązało ze spadkiem aktywności mechanizmów ochronnych przed proteotoksycznością, modele spowolnionego starzenia wykazywałyby zmniejszenie agregacji i proteotoksyczności. Aby rozwiązać ten problem, przeprowadzono kilka testów toksyczności na nicieniu C. elegans . Badania te wykazały, że zmniejszenie aktywności sygnalizacyjnej insuliny / IGF, dobrze znanego szlaku regulacji starzenia, chroni przed agregacją toksycznych białek związaną z neurodegeneracją. Trafność tego podejścia została przetestowana i potwierdzona na ssakach , ponieważ zmniejszenie aktywności szlaku sygnalizacji IGF-1 uchroniło badane myszy z chorobą Alzheimera przed zachowaniem i upośledzeniami związanymi z tą chorobą.
Kilka badań wykazało, że odpowiedzi komórkowe na agregację białek są dobrze regulowane i zorganizowane. Agregaty białek są zlokalizowane w określonych obszarach komórki i badania skupiły się na tych obszarach u prokariontów ( E. coli ) i eukariontów ( drożdże , komórki ssaków).
Agregaty bakterii znajdują się asymetrycznie na jednym z biegunów komórki, „ starszym biegunie ”. Po podziale komórki komórka potomna zawierająca bardziej przedni biegun uzyskuje agregat białka i rośnie wolniej niż komórka potomna bez agregatu. Stanowi to mechanizm naturalnej selekcji w celu redukcji agregatów białek w populacji bakterii.
Większość agregatów białkowych w komórkach drożdży ma defekt fałdowania korygowany przez chaperony. Jednak niektóre agregaty mogą nie mieć skorygowanego defektu fałdowania, na przykład białka uszkodzone przez stres oksydacyjny lub białka przeznaczone do degradacji. Zamiast tego można je przekierować do jednego z dwóch przedziałów: przedziału kontroli jakości JUxtaNuclear ( JUNQ ) w pobliżu błony jądrowej i do nierozpuszczalnego depozytu białkowego lub IPOD w języku angielskim) w pobliżu wakuoli w komórkach drożdży. Agregaty białkowe trafiają do JUNQ, gdy są wszechobecne i przeznaczone do degradacji, podczas gdy zbite i nierozpuszczalne białka trafiają do IPOD w celu dłuższego przechowywania. Wyniki pokazały, że białka w tym miejscu można usunąć na drodze autofagii . Te dwie możliwości działają razem w taki sposób, że białka mają tendencję do przechodzenia do IPOD, gdy szlak proteasomowy jest przeciążony.
W komórkach ssaków te agregaty białkowe nazywane są „agresomami” i powstają, gdy komórka jest chora. Dzieje się tak, ponieważ agregaty mają tendencję do tworzenia się, gdy w komórce obecne są białka heterologiczne, co może wystąpić, gdy komórka jest zmutowana. Ligaza ubikwityny E3 jest zdolna do rozpoznawania nieprawidłowo sfałdowanych białek i ich ubikwitynacji. HDAC6 może następnie powiązać ubikwityny i białka motoryczne dyneiny aby przetransportować „znakowany” agregaty w centrosomie . Tam gromadzą się razem w kuli otaczającej centrosom. Dostarczają białek opiekuńczych i proteasomów oraz aktywują autofagię.
Istnieją dwa główne systemy „kontroli jakości” w komórce odpowiedzialne za usuwanie agregatów białkowych. Błędnie sfałdowane białka mogą zostać ponownie sfałdowane przez system bi-opiekuńczy lub zdegradowane przez układ ubikwityna-proteasom lub przez autofagię.
Układ dwu opiekuńcze wykorzystuje szaperony Hsp70 (DnaK-DnaJ-GrpE w E. coli i Ssa1-Ydj1 / SIS 1-Sse1 / Fe1 w drożdżach) i Hsp100 (ClpB w E. coli i w drożdżach Hsp104) do dezagregacji i neo zwiń białka.
Hsp70 oddziałuje z agregatami białek i rekrutuje Hsp100. Hsp70 stabilizuje aktywowany Hsp100. Hsp100 mają aromatyczne pętle porów stosowanych do gwintowania aktywność oddzielić pojedyncze polipeptydy. To gwintowanie działanie może być inicjowane w N-końcu , C-końcu , albo w środku polipeptydu . Polipeptyd podlega translokacji przez Hsp100 w szeregu etapów, z których każdy zużywa ATP . Polipeptyd nie fałduje się, a następnie nie fałduje się samoczynnie lub za pomocą białek szoku cieplnego ( białka szoku cieplnego ).
Błędnie sfałdowane białka mogą zostać usunięte przez układ ubikwityna-proteasom. Obejmuje szlak E1-E2-E3, który ubikwitynuje białka w celu ich degradacji. U eukariontów białka są degradowane przez proteasom 26S. W komórkach ssaków ligaza E3 i białko na końcu karboksylowym oddziałujące z Hsp70 celują w białka związane z Hsp70. U drożdży ligazy E3 Doa10 i Hrd1 mają podobne funkcje na białkach retikulum endoplazmatycznego :
Błędnie sfałdowane białka można również usunąć przez autofagię, w której agregaty białek są transportowane do lizosomu :
Chociaż uważano, że dojrzałe agregaty białek są toksyczne, ostatnie wyniki sugerują, że w rzeczywistości niedojrzałe agregaty białkowe są najbardziej toksyczne. Grupy hydrofobowe w tych agregatach mogą wchodzić w interakcje z innymi składnikami komórki i uszkadzać je. Hipotezy są takie, że toksyczność agregatów białkowych jest związana z mechanizmami sekwestracji składników komórkowych, z wytwarzaniem RFT, z wiązaniem się z określonymi receptorami w błonie lub z rozerwaniem błon. Test genetyczny wykazał, że gatunki o wyższej masie cząsteczkowej są odpowiedzialne za przepuszczalność błony. Wiadomo, że agregaty białek mogą destabilizować in vitro sztuczne dwuwarstwy lipidowe, co prowadzi do przepuszczalności błony.