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.
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
Janus-arc Kezdet és a vég istene (római mitológia) Nem szimmetrikus: történetiséget kódol Kezdetben az istenek apjának tartották. A január hónap róla kapta nevét.
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.
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.
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
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). - 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.
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 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 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 (2006) keretében meghatározták és leírták nukleotidok szintjén az emberi DNS teljes könyvtárát. A 23 emberi kromoszóma mintegy 3 milliárd DNS bázispárból áll, ami körülbelül 20.000-30.000 ún. gént kódol, amelyek később fehérjévé íródhatnak át
A fehérjék lineáris polimerek Bármely fehérje mindössze 20 aminosavból felépülő lineáris polimer.
A feltekeredett fehérjeszerkezet David Phillips 1965-ben meghatározta a lizozim térszerkezetét
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!
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.
Intermedierek és nyílt formák felderítése NMR spektroszkópiával P. Rovó, Chemistry a European Journal 2013, 19, 2628-40. G 11 -P 12 trans G 11 -P 12 cis G 11 -G 15 a-helix G 11 -G 15 3 10 -helix 17 17
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. Nature 2005 Sawaya et al. Nature 2007 D.Eisenberg & M.Jucker Cell 2012 Sunde & Blake, Adv. Prot. Chem. 1997 Az amiloid-szerű -redők kialakulása nincs a fehérje szekvenciába kódolva, független attól!
Amiloid struktúrák topológiája Két ortogonális sík, két betöltendő szerepkör: (a,c):= (a,b):= H-hidakkal stabilizált -rétegek az amiloid struktúrák ismertetőjegyei. Molekuláris ragasztó?
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
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?
A β-redők moduláris felépülése - a -rétegek -szálakból épülnek fel, - két tipikus szerkezeti modul ismétlődik rendre. Pohl et al. JACS 2006
Modellezhetők-e a fehérjék QM szinten? 24
A β-redő építőelemek stabilitása S14 S10 A két építőelemet eltérő H-hidas motívum stabilizálja Natural Bond Orbitals
(kcal/mol) A β-redő építőelemek stabilitása Perczel et al. J.Comp.Chem. 2003 16 Perczel et al. JACS 2007 Pohl et al. PCCP2012 14 12 10 8 6 4 2 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)/6-311++G(d,p) = ~10 4 kcal/mol /BSSE korrigált RHF(B3Lyp)/6-311++G(d,p) = ~0 2 kcal/mol /BSSE korrigált
A β-redő építőelemek stabilitása polipeptid lánc hossza 0-5 0 2 4 6 8 DE (kcal/mol) -10-15 -20-25 -30-35 -40-45
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 = H G folyamat hajtóereje S - információ felhalmozódás vagy információvesztés Előfordulhat-e az antiparallel -redőzött rétegnél stabilabb dimer struktúra?
-redő visz mindent! 0 -szál 20% destab. 21% 40 % ab initio számítások (vízben) PCM-B3LYP/6-31G(d) (e =78.39) 57 % 25 E (%) 50 100% 75 100 22 % 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 -60-90 -120-150 -180 1 2 3 4 5 6 Number of residues (i) 1 2 3 4 5 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
Dimerizációtól az oligomerizációig
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, -
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!
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! - 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 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
Természetes védekező mechanizmusok β-propeller: - töltött aminosavak gyakoriságának megnövelése alacsony-görbületű élekben (Lys), Richardson and Richardson PNAS, 2002, 99, 2754 -kitüremkedések beszúrása (β-bulge), - éles csavarodások beszúrása insertion (pl. Pro ahol φ~70 o ).
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
Epilógus helyett: kísérleti evidenciáink
Köszönetnyilvánítás