De ziekte van Huntington is een progressieve, fatale neurodegeneratieve aandoening die wordt veroorzaakt door mutaties in een specifiek gen genaamd huntingtine (Htt). In de meer dan 20 jaar sinds het Htt-gen werd geïdentificeerd, onderzoekers hebben zich gericht op het eiwit dat wordt gecodeerd door het Htt-gen, genaamd Httex1. Dit eiwit hoopt zich op in de hersenen van ZvH-patiënten, en de heersende hypothese was dat het een dramatische structurele verandering ondergaat wanneer een zich herhalend kanaal van het aminozuur glutamine muteert in een afwijkend lang gebied dat bekend staat als het mutatie-geëxpandeerde polyglutamine (polyQ) kanaal.

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, het team van Hilal A. Lashuel bij Ècole Polytechnique Fèdèrale de Lausanne (EPFL) in Zwitserland; Edward A. Lemke van het European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Duitsland; en Rohit V. Pappu van de Washington University in St. Louis heeft een gedetailleerde structurele beschrijving van Htt als functie van de polyQ-lengte ontdekt. Het werk is onlangs gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Een studie in drie stappen

Het beveiligen van structurele beschrijvingen op atomair niveau van Htt- en ziekterelevante eiwitfragmenten van volledige lengte, aangeduid als Httex1, was een uitdaging omdat deze moleculen aan elkaar kleven en het genereren van zuivere eiwitmonsters voor structurele studies remmen. "Het is erg moeilijk om structurele karakterisering van eiwitten binnen een brij te verkrijgen, " zei pappu, de Edwin H. Murty hoogleraar Engineering aan de School of Engineering &Applied Science.

"Ons doel was om inzicht te krijgen in hoe het vergroten van de lengte van de polyQ-staartherhaling de structuur van dit eiwit verandert op monomeerniveau en onder omstandigheden waarin we de vouwing en zelfassemblage kunnen ontkoppelen, " zei Lashuel, hoogleraar levenswetenschappen en directeur van het laboratorium van de chemische biologie van neurodegeneratie bij EPFL.

In de eerste stap van het onderzoek, Lashuel en postdoctoraal fellow John B. Warner IV gebruikten nieuwe chemische strategieën in hun laboratorium om nauwkeurige, zeer zuivere monsters van Htt voor moleculaire spectroscopie. Maar deze kwamen alleen in ultralage concentraties en vereisten technieken om individuele moleculen te onderzoeken. Warner en Lashuel maakten deze experimenten mogelijk door monsters te genereren met plaatsspecifieke fluorescerende labels.

Voor de tweede stap van het project, Warner en Lashuel werkten samen met Lemke's lab bij EMBL om single-molecule Förster (of fluorescentie) resonantie-energieoverdracht (smFRET) uit te voeren, dat is een techniek die afstanden tussen 1-10 nanometer binnen individuele moleculen kan meten - in dit geval binnen individuele Htt-eiwitten. Dit deel van de studie leverde de eerste kwantitatieve beoordeling op van hoe de interatomaire afstanden binnen Httex1 variëren met de expansiemutaties.

Eindelijk, de wetenschappers werkten met Pappu's lab aan de Washington University, waar het nieuwe computermodelleringsbenaderingen ontwikkelde om fysiek nauwkeurige, structurele modellen op atomair niveau van Httex1 die het beste passen bij alle gegevens van één molecuul uit de vorige twee stappen. De resultaten waren verrassend:de algehele structuur van Httex1 lijkt op die van een kikkervisje.

Het kikkervisje-effect

"Architectonisch, Httex1 heeft de vorm van een kikkervisje, met een bolvormige polyQ-kop en een slappe staart, Pappu zei. "Naarmate de polyQ-lengte langer wordt, de kop van het kikkervisje wordt groter in zijn oppervlak. Dit grotere oppervlak van het hoofd lijkt interacties teweeg te brengen die anders niet in cellen zouden voorkomen."

De ontdekking daagt de al lang bestaande ideeën over Httex1-accumulatie bij de ziekte van Huntington uit. "Als de heersende hypothese waar zou zijn, "Pappo zei, "dan zou het kikkervisje in een 'kikker' zijn veranderd naarmate de polyQ-lengte groter wordt dan de drempellengte, maar dat blijkt niet het geval te zijn. De nieuwe resultaten richten onze aandacht in plaats daarvan op de nieuwe gain-of-function cellulaire interacties die worden aangedreven door de structuur van het kikkervisje met een grotere polyQ-kop."

"Hoewel de heersende hypothese de voorkeur heeft gegeven aan een model waarin door mutante huntingtine geïnduceerde toxiciteit voornamelijk wordt aangedreven door de neiging om verkeerd te vouwen en te aggregeren, onze bevindingen suggereren dat afwijkende interacties op monomeerniveau ook kunnen bijdragen aan de initiatie en/of progressie van de ziekte, ' zei Lashuel.

"Deze bevinding stelt ons in staat om te onderzoeken welke regio's van dit eiwit belangrijk zijn om te targeten, en de toxiciteit ervan op een specifieke manier moduleren, " zei Kiersten M. Ruff, een postdoctoraal onderzoeker in Pappu's lab die de computersimulaties ontwierp en de co-eerste auteur van het artikel is.

De volgende uitdaging voor de wetenschappers is om te begrijpen hoe deze structurele veranderingen op het monomeerniveau van Httex1 zich vertalen in verhoogde aggregatie en toxiciteit wanneer de lengte van de polyQ-staart de pathogene drempel overschrijdt.

"De sleutel was de centrale samenwerking tussen drie teams met complementaire en niet-overlappende expertise, die allemaal een toewijding delen om de wetenschap te bevorderen, ' zei Lashuel.