Doenças neurodegenerativas devastadoras, como Huntington, Alzheimer e Parkinson, estão todas associadas a depósitos de proteínas no cérebro, conhecidas como amiloides. Apesar do extenso investimento em pesquisa sobre a causa e a toxicidade dos amilóides, decifrar o primeiro passo na formação, juntamente com terapias eficazes, permaneceu indescritível.

Pela primeira vez, cientistas do Stowers Institute for Medical Research descobriram a estrutura do primeiro passo na formação de amilóide , chamado núcleo, para a doença de Huntington. O estudo publicado no eLife do laboratório do investigador associado Randal Halfmann, Ph.D., propõe um método novo e radical para tratar não apenas a doença de Huntington, mas potencialmente dezenas de outras doenças associadas à amilóide - evitando que ocorra a etapa inicial limitante da taxa .

"Esta é a primeira vez que alguém determinou experimentalmente a estrutura de um núcleo amilóide, embora a maioria das principais doenças neurodegenerativas esteja associada a amilóides", disse Halfmann. "Um dos grandes mistérios da doença de Huntington, Alzheimer e ELA é por que a doença coincide com o amilóide, mas os próprios amilóides não são os principais culpados".

Os coprimeiros autores Tej Kandola, Ph.D., e Shriram Venkatesan, Ph.D., identificaram exclusivamente a estrutura do núcleo amilóide para a huntingtina, a proteína responsável pela doença de Huntington, descobrindo que o núcleo se forma dentro de uma única molécula de proteína.

As proteínas são os trabalhadores da fábrica da célula construídos a partir de sequências únicas de 20 aminoácidos, seus blocos de construção. Algumas proteínas têm repetições de um desses aminoácidos - glutamina (abreviado como Q). A doença de Huntington e outras oito doenças, chamadas coletivamente de "doenças PolyQ", ocorrem quando certas proteínas têm uma repetição muito longa. De alguma forma, isso faz com que as proteínas se dobrem em uma estrutura específica que inicia uma reação em cadeia que mata a célula.

"Por três décadas, sabemos que a doença de Huntington e doenças fatais relacionadas ocorrem quando as proteínas contêm mais de 36 Qs seguidos, fazendo com que formem cadeias de proteínas no cérebro, mas não sabíamos por quê", disse Halfmann. . “Agora descobrimos como é o primeiro elo da corrente e, ao fazê-lo, descobrimos uma nova maneira de pará-lo”.

"Estou, francamente, surpreso que um modelo físico tão intuitivo de nucleação tenha surgido apesar da complexidade intrínseca do ambiente celular", disse o professor Jeremy Schmit, Ph.D., da Kansas State University.

"Estou realmente entusiasmado com a intuição e as hipóteses testáveis ??que este trabalho inspira."

Essas novas descobertas são potencialmente uma mudança de paradigma de como vemos os amilóides. Os resultados desta pesquisa sugerem que são as etapas iniciais da formação de amilóide, logo após a formação do núcleo, que causam a morte das células neuronais.

Junto com a descoberta da estrutura chave que inicia a formação de amilóide poliQ, os pesquisadores descobriram que ela se formou apenas em moléculas isoladas da proteína. A agregação das proteínas nas células impediu a formação de amilóides. Esta é uma nova via terapêutica que a equipe planeja explorar ainda mais em camundongos e organoides cerebrais.

Uma técnica desenvolvida recentemente pelo Halfmann Lab, Distributed Amphifluoric Förster Resonance Energy Transfer (DAmFRET), mostra como uma proteína se auto-monta em células individuais. Este método acabou por ser crucial para observar o evento de nucleação de formação de amilóide limitante da taxa.

Gráficos DAmFret ilustrando a extensão da auto-agregação de glutamina (Q) à medida que o número de Qs sequenciais aumenta (esquerda: Qs menor que 36; centro: Qs em torno de 50; direita: Qs acima de 100). Crédito: Stowers Institute for Medical Research

“Uma inovação importante foi minimizar o volume da reação a tal ponto que podemos testemunhar sua estocasticidade, ou aleatoriedade, e então ajustar a sequência para descobrir o que está governando isso”, disse Halfmann.

Projetar e testar padrões específicos de Qs permitiu à equipe deduzir a estrutura mínima que poderia formar amilóide – um feixe de quatro fios cada um com três Qs em locais específicos. Esse minúsculo cristal dentro de uma única molécula da proteína é o primeiro passo de uma reação em cadeia que resulta em doenças.

"Trabalhos anteriores em tubos de ensaio suportam um núcleo monomérico, mas este modelo tem sido controverso", disse Halfmann. “Agora temos fortes evidências de que 36 Qs é o número crítico para a nucleação acontecer em moléculas de proteína única e, além disso, é assim que acontece dentro das células vivas”.

Em essência, este trabalho fornece um modelo molecular para investigar a estrutura de qualquer núcleo amilóide. Além disso, a correlação entre o envelhecimento e os amilóides sugere que esse método pode, em última análise, revelar os mecanismos moleculares que causam o envelhecimento. A abordagem preventiva para eliminar ou pelo menos retardar a nucleação oferece esperança para pessoas com proteínas PolyQ patológicas.

"O paradigma emergente é que tudo decorre de um único evento, uma mudança espontânea na forma da proteína ", disse Halfmann. "Esse evento inicia a reação em cadeia para amilóides que matam as células e pode fornecer informações críticas sobre como os amilóides causam doenças".