Нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, Хантингтона и Паркинсона, вызваны дефектом агрегированных белков, накапливающихся в нервных клетках мозга. У здоровых клеток этот процесс предотвращается с помощью ферментного комплекса, известного как протеасомы, который удаляет и перерабатывает устаревшие и дефектные белки. В последнее время исследователи наблюдали и структурно охарактеризовали протеасомы при работе внутри здоровых клеток мозга.
«Когда мы увидели протеасомы на нашем экране, мы были осведомлены о важности результатов», – вспоминает Шох Асано (Shoh Asano), первый автор исследования.
Исследование опубликовано в журнале Science.
Ученые подсчитали, что в нашем мозгу от десяти до ста миллиардов нервных клеток. Для того чтобы выполнять свои соответствующие задачи как можно дольше, эти клетки должны постоянно контролировать качество и функциональность внутренних белков. В противном случае белки могут собираться вместе и тем самым парализовать или даже убивать клетки. После того, как клетки распознают дефект белка, то своего рода молекулярный измельчитель, так называемые протеасомы, перерабатывают их.
Теперь исследователи преуспели в визуализации этого процесса в интактных нервных клетках, которые ранее могли изучать только в пробирке. Электрон крио-томография имеет большое значение для получения описанных изображений. Вначале клетки охлаждаются до минус 170 ° С в доли секунды. При последовательной стадии фотографии внутренней части клетки берут из различных углов, которые затем объединяют в вычислительном трехмерном изображении.
В текущем исследовании использование специальных технических инноваций позволило ученым достичь беспрецедентного качества изображения, что позволяет различать отдельные протеасомы в клетке. Впервые можно качественно и количественно описать этот важный комплекс ферментов в неповрежденных клетках. В следующих экспериментах ученые сосредоточены на деятельности протеасомов. Для интерпретации отдельных частиц важно знать, что есть подобные структуры, так называемые нормативные частицы, прикрепленные к концу протеасом. Они связывают белки, которые деградируют и, таким образом, изменяют свою форму. Ученые смогли отличить эти состояния и, следовательно, узнать, сколько протеасомы активно разлагают белков.
Вывод исследователей: в покоящихся нервных клетках, которые используются в реальных экспериментах, только меньшинство протеасом активны. Более подробно, результаты показали, что только каждая четвертая протеасома активно подвергает деградацию белка. В будущем ученые хотят устранить структурные изменения протеасом при клеточном стрессе, как это происходит при нейродегенеративных заболеваниях.
«Это исследование показывает новые возможности белковых комплексов в клетке во всей их полноте и помогает изучить их функциональные зависимости», – считает Вольфганг Баумейстер (Wolfgang Baumeister).
ПОДРОБНЕЕ В НАУЧНОЙ СТАТЬЕ:
Asano, Shoh; Fukuda, Yoshiyuki; Beck, Florian; Aufderheide, Antje; Forster, Friedrich et al. (2015) A molecular census of 26S proteasomes in intact neurons // Science – vol. 347 (6220) – p. 439-442
