Prológus helyett polimorfizmus kapcsolodó-mutációk

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Prológus helyett polimorfizmus kapcsolodó-mutációk"

Gábor Török
7 évvel ezelőtt
Látták:

öröklésének vizsgálata során rámutattak,

1 Prológus helyett polimorfizmus kapcsolodó-mutációk egy vesebetegség öröklésének vizsgálata során rámutattak, hogy hogyan okozhatnak gyakori genetikai variánsok ritka betegséget. Jó hír ez, mivel segíthet megérteni a genetikai variánsok és a betegségek kapcsolatát. Vizsgálati eredményüknek köszönhetően sok eddig veszélyeztettnek gondolt mutáció-hordozó pár mentesül beteg gyermek születésének félelmétől.

Kutatócsoport és ELTE Szerkezeti Kémia és Biológia

2 A fehérjék Janus-arca: végzetes változások Perczel András és munkatársai MTA_ELTE Fehérjemodellező Kutatócsoport és ELTE Szerkezeti Kémia és Biológia Laboratóriuma Budapest, 2015, február 19. alkimia ma jubileumi 100. előadás 2

3 Janus-arc Kezdet és a vég istene (római mitológia) Nem szimmetrikus: történetiséget kódol Kezdetben az istenek apjának tartották. A január hónap róla kapta nevét.

4 Janus-arc: végzetes változások Kezdet és a vég istene (római mitológia) Ellentétre, ellentmondásra, a végzetre is utalhat A Janus-arcú megnevezést gyakran használják a kettősségre, a kétszínűségre.

Prusiner (orvosi Nobel-díj 1997) a fertőzés egy új formájának, a prion felfedezésért.

5 A fehérjék Janus-arca: végzetes változások Prion Protein (PrP) egy Janus-arcú fehérje, melynek van nem-fertőző és fertőző (izo)formája. Stanley B. Prusiner (orvosi Nobel-díj 1997) a fertőzés egy új formájának, a prion felfedezésért. A kuru (nevető halál) felfedezésért Gajdusek és Blumberggel megkapja 1976-ban a fiziológiai és orvostudományi Nobel-díjat.

6 A Janus-arcú fehérje fertőző prion fertőzés egyedi mechanizmusú, mert nem tartalmaz: - örökítőanyagot (nukleinsavat), - nem baktérium, - nem vírus, - nem parazita, - nem gomba, Prusiner szerint a prion: - térszerkezete változik, - változásait átörökíti, - nukleinsav nélkül szaporodik

7 A fehérjék Janus-arca: a fertőző térszerkezet váltás prion okozza: - a szarvasmarhák agyvelőelfajulását (BSE) - a nyércek aleuti betegségét, - a juhok surlókórját, - az emberi CJ.-szindrómát - kurut (nevető halált)

A fehérjék Janus-arca: a fertőző térszerkezet váltás - A prion normális változata az emlős sejtek sokaságában megtalálható (főként az idegrendszer sejtjeiben).

8 A fehérjék Janus-arca: a fertőző térszerkezet váltás - A prion normális változata az emlős sejtek sokaságában megtalálható (főként az idegrendszer sejtjeiben). - A kóros prionfehérjék az idegsejtek felszínén található egészséges prionfehérjéket elrontják, saját képükre formálják azok térszerkezetét! Proteáz rezisztens fertőző fehérjék, amely az idegrendszer sajátos degeneratív megbetegedését hozza létre.

9 A férjék az élet hordozó molekulái Az első önreprodukcióra, önfenntartásra, önszabályozásra képes anyagi rendszerek kialakulása mintegy 4 milliárd évvel ezelőttre tehető. átmérő: 0,1-15 μm archeák (Archaebacteria), (görög αρχαία, ősi eredetű ) sejtmag nélküli, azaz prokarióta szervezetek.

A férjék az élet hordozói Az első önreprodukcióra, önfenntartásra, önszabályozásra képes anyagi rendszerek kialakulása mintegy 4 milliárd

10 A férjék az élet hordozói Az első önreprodukcióra, önfenntartásra, önszabályozásra képes anyagi rendszerek kialakulása mintegy 4 milliárd évvel ezelőttre tehető. átmérő: 0,1-15 μm archeák (Archaebacteria), (görög αρχαία, ősi eredetű ) sejtmag nélküli, azaz prokarióta szervezetek.

A férjék az élet hordozói a fehérjék sokrétű

(enzimek és hormonok) - jelző és jelátviteli

11 A férjék az élet hordozói a fehérjék sokrétű biopolimerek - katalizáló és szabályozó funkció (enzimek és hormonok) - jelző és jelátviteli funkció - szerkezeti funkciók (aktin, tubulin, kollagén, elasztin, keratin, stb.) - szállító funkció (hemoglobin/o 2, kazein/ca 2+, ioncsatornák,...) - motor-funkció (miozin, kinezin, ). Az élő rendszerekben a víz után a fehérje a legelterjedtebb molekulatípus.

A sokaság nem esetlegesség A Humán Genom Projekt

A 23 emberi kromoszóma mintegy 3 milliárd DNS

12 A sokaság nem esetlegesség A Humán Genom Projekt (2006) keretében meghatározták és leírták nukleotidok szintjén az emberi DNS teljes könyvtárát. A 23 emberi kromoszóma mintegy 3 milliárd DNS bázispárból áll, ami körülbelül ún. gént kódol, amelyek később fehérjévé íródhatnak át

13 A fehérjék lineáris polimerek Bármely fehérje mindössze 20 aminosavból felépülő lineáris polimer.

14 A feltekeredett fehérjeszerkezet David Phillips 1965-ben meghatározta a lizozim térszerkezetét

biológiai funkcióival. (C.B.Anfinsen 1972).

15 A hatásért a feltekeredett szerkezet felelős Sok fehérje önmagától tekeredik fel és globuláris struktúrát hoznak létre, amely téralkat összefügg annak biológiai funkcióival. (C.B.Anfinsen 1972). Ha tehát egy fehérje letekeredik (denaturálodik), akkor nem csak a térszerkezete, de biológiai funkciója is elvész!

16 A fehérjék végzetes amiloiddá alakulása A nyíltabb konformerek relatív gyakoriságának megnövekedése a fehérje amiloid-szerű aggregációjához majd csapadékképzéshez vezethet. Booth et al., Nature 385, 787 (1997) Példa: a lizozim egyes pont-mutációi kiválthatnak ilyen hatást.

17 Intermedierek és nyílt formák felderítése NMR spektroszkópiával P. Rovó, Chemistry a European Journal 2013, 19, G 11 -P 12 trans G 11 -P 12 cis G 11 -G 15 a-helix G 11 -G helix 17 17

feltekeredés, aggregáció (nem-kódolt info.

18 Feltekeredés vagy aggregáció? natív forma felvétele (kódolt info.) A fehérjék egyedi globuláris téralkatuk mellett, jól strukturált, fibrilláris formává is alakulhatnak hibás feltekeredés, aggregáció (nem-kódolt info.) Az aggregáció amiloid -szerű szerkezetet eredményez, amely az Alzheimer-kórt kísérő struktúrákhoz hasonlít

Amiloid-szerű aggregátumok szerkezete Az amiloidstruktúrák ismétlődő -redőkből állnak, melyeket a főtengelyre merőleges -szálak építenek fel. Jimenez et al PNAS 2002 Nelson et al.

19 Amiloid-szerű aggregátumok szerkezete Az amiloidstruktúrák ismétlődő -redőkből állnak, melyeket a főtengelyre merőleges -szálak építenek fel. Jimenez et al PNAS 2002 Nelson et al. Nature 2005 Sawaya et al. Nature 2007 D.Eisenberg & M.Jucker Cell 2012 Sunde & Blake, Adv. Prot. Chem Az amiloid-szerű -redők kialakulása nincs a fehérje szekvenciába kódolva, független attól!

20 Amiloid struktúrák topológiája Két ortogonális sík, két betöltendő szerepkör: (a,c):= (a,b):= H-hidakkal stabilizált -rétegek az amiloid struktúrák ismertetőjegyei. Molekuláris ragasztó?

21 Ahogy ma látjuk Vajon az aggregáció természetes vagy abnormális folyamat? Lehetséges-e, hogy az amiloid -szerű fehérje aggregáció általánosan előforduló, a polimerlánc kémiai természetéből fakadó szükségszerű szerkezeti módosulat? Dobson, Trends Biochem. Sci. 1999

22 Ha az amiloidfibrillumok kialakulása nem az aminosav szekvencia szintjén kódolt, a kialakulásukat nem befolyásolhatják az aminosav oldalláncok. Tehát az aggregációt a gerincszerkezetet felépítő atomok kölcsönhatásai hozzák létre! H-hidas -réteg modellek (-Ala-Ala-Ala-Ala-Ala-Ala-) 2 Létezhetnek-e a -rétegeknél stabilabb téralkatok?

23 A β-redők moduláris felépülése - a -rétegek -szálakból épülnek fel, - két tipikus szerkezeti modul ismétlődik rendre. Pohl et al. JACS 2006

24 Modellezhetők-e a fehérjék QM szinten? 24

25 A β-redő építőelemek stabilitása S14 S10 A két építőelemet eltérő H-hidas motívum stabilizálja Natural Bond Orbitals

26 (kcal/mol) A β-redő építőelemek stabilitása Perczel et al. J.Comp.Chem Perczel et al. JACS 2007 Pohl et al. PCCP de dh dg 0 1,5 2,1 2,7 3,3 3,9 4,5 5,1 5,7 6,3 6,9 7,5-2 H-bond distance (A) RHF(B3Lyp)/ G(d,p) = ~10 4 kcal/mol /BSSE korrigált RHF(B3Lyp)/ G(d,p) = ~0 2 kcal/mol /BSSE korrigált

27 A β-redő építőelemek stabilitása polipeptid lánc hossza DE (kcal/mol)

DE (kcal/mol) 0 5-5 0-5 -10-10 -15-15 -20-20 -25-25 -30-30 -35 polipeptid lánc hossza 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6-1 G T S H E -redő stabilitás G + T S =

28 DE (kcal/mol) polipeptid lánc hossza G T S H E -redő stabilitás G + T S = H G folyamat hajtóereje S - információ felhalmozódás vagy információvesztés Előfordulhat-e az antiparallel -redőzött rétegnél stabilabb dimer struktúra?

39) 57 % 25 E (%) 50 100% 75 100 22 % 10% 47 % 59 % 20 % 11% 38

29 -redő visz mindent! 0 -szál 20% destab. 21% 40 % ab initio számítások (vízben) PCM-B3LYP/6-31G(d) (e =78.39) 57 % 25 E (%) % % 10% 47 % 59 % 20 % 11% 38 % 22 % 29 % 23 % A számításokat hosszabb láncokkal megismételve hasonló képet kaphatunk.

E (kcal/mol) Number of strands (j) Dimerizációtól az oligomerizációig A szupramolekuláris komplex stabilitása nő a -láncolatok hosszúságával, és a kölcsönhatásban részt vevő láncok számával is 0-30

30 E (kcal/mol) Number of strands (j) Dimerizációtól az oligomerizációig A szupramolekuláris komplex stabilitása nő a -láncolatok hosszúságával, és a kölcsönhatásban részt vevő láncok számával is Number of residues (i) S14 S10 S10 S14 S10 S14 S10 S14 S10 S14 S10 S14 Beke et al. JACS 2006 Pohl et al. JACS 2006 ab initio számítások B3LYP/6-31G(d) Perczel et al. JACS 2007

31 Dimerizációtól az oligomerizációig

32 A fehérjék Janus-arca: a fertőző térszerkezet váltás Fehérjék a konformációs betegségek hátterében: - Prion - Aβ, - a-szinuklein, - Tau, - amiloid polipeptide (IAPP) - kalcitonin, - β2-mikroglobulin, - transztiretin - szuperoxid diszmutáz, -

Tehát az aggregáció valóban egy természetes és normális, energiavezérelt

33 A legkedvezőbb szuper-struktúra Az amiloid-szerű szupramolekuláris mátrix kialakulása -redőkből energetikailag kedvező folyamat. Tehát az aggregáció valóban egy természetes és normális, energiavezérelt folyamat. A globuláris fehérjék ideig óráig nem veszik fel a legstabilabb amiloid téralkatukat, ám ami késik nem múlik!

34 A fehérje feltekeredés zsákutcája? A fehérjék Janus-arca: végzetes változások amyloid DG<0

Következtetések: - A polipeptid asszociátumok között komplexebb igen, de stabilabb nincs mint a -szál. -Az oldószer és a környezet figyelembevételén nem okoz jelentős különbséget!

35 Következtetések: - A polipeptid asszociátumok között komplexebb igen, de stabilabb nincs mint a -szál. -Az oldószer és a környezet figyelembevételén nem okoz jelentős különbséget! - A -szálak optimális pakolódása a selyemben, az amiloid-aggregátumokban igazán evidens. Minden vagyok, amit vártál, Minden vagyok, amit nem sejtsz, Minden vagyok, mi lehetnék. S minden vagy, mi lehetséges, Minden lehetsz, mire vágyok, Talán semmi, talán Minden. (VAJON MILYENNEK LÁTTÁL? ADY ENDRE)

Természetes védekező mechanizmusok Richardson and Richardson PNAS, 2002, 99, 2754 A magas β redő tartalmú fehérjékben, a szabad β éleik aggregáció

36 Természetes védekező mechanizmusok Richardson and Richardson PNAS, 2002, 99, 2754 A magas β redő tartalmú fehérjékben, a szabad β éleik aggregáció elleni aktív védelemmel vannak ellátva: ellen-tervezés - β-hordó: zárt profil -β-hélix: a szabad β-élek védelme egy a-helix vagy egy hurok régió által

37 Természetes védekező mechanizmusok β-propeller: - töltött aminosavak gyakoriságának megnövelése alacsony-görbületű élekben (Lys), Richardson and Richardson PNAS, 2002, 99, kitüremkedések beszúrása (β-bulge), - éles csavarodások beszúrása insertion (pl. Pro ahol φ~70 o ).

38 Természetes védekező mechanizmusok β-szendvics: - töltés (Lys, Arg, Glu, Asp), -kitüremkedés (β-bulge), - éles csavarulat (Pro [φ~70 o ] - másfajta csavar ( twist ) : Gly ahol φ~+150 Richardson and Richardson PNAS, 2002, 99, 2754

39 Epilógus helyett: kísérleti evidenciáink

40 Köszönetnyilvánítás

Hasonló dokumentumok

Fehérjeszerkezet, és tekeredés

Fehérjeszerkezet, és tekeredés Futó Kinga 2013.10.08. Polimerek Polimer: hasonló alegységekből (monomer) felépülő makromolekulák Alegységek száma: tipikusan 10 2-10 4 Titin: 3,435*10 4 aminosav C 132983