Een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuw type transitie in eiwitvouwing ontdekt:amyloïdekristallen gevormd uit amyloïdefibrillen door een afname van energie. De kristallen zijn nog stabieler dan de fibrillen, die verantwoordelijk zijn voor een aantal ernstige neurodegeneratieve ziekten bij de mens.

Amyloïde fibrillen zijn berucht om de rol die ze spelen bij ernstige neurologische aandoeningen bij mensen, zoals Parkinson of Alzheimer. Een trigger voor de ziekte van Alzheimer is de verkeerde vouwing en aggregatie van eiwitten zoals tau en ABeta. Dit veroorzaakt de vorming van kleine fibrillen die zich vervolgens ophopen in de hersenen. Specialisten noemen deze vezels amyloïde fibrillen.

Raffaele Mezzenga, Hoogleraar Food &Soft Materials aan de ETH Zürich, heeft een lange tijd besteed aan het bestuderen van amyloïde fibrillen, die hij in het lab synthetiseert uit niet-toxische en eetbare voorlopers zoals de whey-eiwitcomponent beta-lactoglobuline. Hij doet dit door de eiwitten in zuur te verhitten om de oorspronkelijke structuur af te breken; de eiwitten worden "gedenatureerd" en worden vezelig. Meerdere individuele strengen komen samen en draaien in een helix om de volwassen amyloïde fibrillen in het laboratorium te vormen.

Tijdens het proces, de wei-eiwitten verliezen niet alleen hun oorspronkelijke structuur, maar ook hun functionaliteit. In het geval van niet-toxische voorlopers van voedingseiwitten, nieuwe functionaliteiten worden gebouwd, die de kern vormen van een intensief onderzoeksprogramma in de groep van Mezzenga.

Transformatie van een amyloïde fibril

Een internationaal team van amyloïde-experts onder leiding van Mezzenga heeft nu een fundamentele ontdekking gedaan met amyloïde fibrillen die worden gegenereerd door fragmenten van eiwitten van dierlijke, menselijke en ziektegerelateerde eiwitbronnen, synthetisch gemaakt in het laboratorium. De ontdekking is zojuist gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Onder bepaalde omstandigheden, de fibrillen kunnen worden omgezet in een eiwitstructuur die nog nooit eerder in-vivo is waargenomen en zelden is waargenomen in in-vitro-onderzoeken:een amyloïde kristal. De wetenschappers lossen voor het eerst het fysieke mechanisme op waardoor deze overgang plaatsvindt:dit houdt in dat de fibril wordt losgedraaid om langwerpige, luciferachtige amyloïdekristallen zonder de noodzaak om het eiwit te ontvouwen en opnieuw te vouwen; dat is, door simpelweg de torsie-energie kwijt te raken die gepaard gaat met de verwrongen amyloïde fibrillen.

Vroeger, onderzoekers hadden dit fenomeen alleen in de reageerbuis waargenomen, maar zonder echt de mechanismen te kunnen identificeren die van de ene structuur naar de andere leiden; de amyloïde kristallen, niettemin, nooit eerder gevonden in levende cellen.

Voor het onderzoeksteam het is daarom vooralsnog moeilijk te zeggen welke implicaties de ontdekking zal hebben op het gebied van amyloïdgerelateerde ziekten. Mezzenga is al zeker, echter, dat de resultaten significant zijn voor eiwitvouwing en de vorming van amyloïde fibrillen:"Onze resultaten werpen nieuw licht op de zelforganisatie van eiwitten die de neiging hebben om amyloïden te vormen, en over de meest stabiele status van eiwitten in het algemeen."

Nick Reynolds, Onderzoekswetenschapper aan de Swinburne University of Technology, is verder van mening dat dit werk grote implicaties zal hebben voor het begrijpen van de mechanismen waarmee amyloïde-eiwitten zich verkeerd vouwen en aggregeren bij neurodegeneratieve ziekten, uiteindelijk leidend tot de identificatie van potentiële nieuwe routes voor de vroege diagnose en behandeling van deze sociaal-economisch verwoestende aandoeningen.

De meest stabiele vorm van eiwit

Inderdaad, als ze eenmaal gevormd zijn, de kristallen zijn waarschijnlijk de meest stabiele vorm van een eiwit. Dit komt door het feit dat ze een zeer laag niveau van interne energie hebben. Wat het energielandschap betreft, amyloïde kristallen liggen in de diepste vallei in vergelijking met andere vormen van eiwitten - zelfs lager dan amyloïde fibrillen, waarvan eerder werd gedacht dat het de energiearmste en meest stabiele vorm van eiwit was.

Onderzoekers hebben statistisch en experimenteel vastgesteld dat energie vrijkomt wanneer een amyloïde fibril verandert in een amyloïde kristal. "Onze ontdekking betekent dat het energielandschap van eiwitvouwing nu opnieuw moet worden bekeken, ', zegt Mezzenga.

Zelden gevonden in de natuur

Toch is de situatie paradoxaal vanuit een statistisch natuurkundig perspectief, Mezzenga vervolgt:"Als het amyloïde kristal de laagst mogelijke energietoestand van een eiwitvorm vertegenwoordigt, dan zouden de meeste eiwitten vroeg of laat naar deze structuur moeten overstappen." Dit komt door een goed ingeburgerd principe van statistische thermodynamica dat stelt dat in een systeem met veel vrijheidsgraden, de toestand met de laagste energie is de meest waarschijnlijke en wordt dus het vaakst waargenomen. Hetzelfde zou moeten gelden voor eiwitten, daarom is het verbazingwekkend dat amyloïdekristallen nooit zijn gevonden in natuurlijke systemen zoals cellen, zegt Mezzenga.

Mezzenga ziet de verklaring hiervoor in het feit dat cellen speciale eiwitten (chaperonnes) bevatten die eiwitten helpen om correct te vouwen. Dit is een energie-intensief proces. In de reageerbuis, echter, waar onderzoekers erin zijn geslaagd om amyloïdekristallen rechtstreeks uit amyloïde fibrilprecursoren te produceren, deze enzymen waren niet aanwezig. "Eiwitvouwing in levende systemen is, ten slotte, veel complexer dan in de reageerbuis, ', zegt Mezzenga.

The fundamental behaviours of amyloid fibrils are is still not entirely understood and somewhat controversial. Mezzenga hopes that his work will help to improve understanding of how proteins with a tendency to form amyloids behave and what is the natural evolution of folded protein conformations in general.