Un equipo de investigadores de Alemania y los Países Bajos ha determinado la estructura de una fibrilla amiloide con resolución previamente no alcanzada. Las fibrillas de la proteína beta amiloide Aβ del cuerpo son el componente principal de los depósitos proteicos patológicos característicos y relacionados con la enfermedad de Alzheimer enLa estructura tridimensional de nivel atómico aclarada por científicos del Forschungszentrum Jülich, la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, el Centro de Biología de Sistemas Estructurales en Hamburgo y la Universidad de Maastricht muestra detalles estructurales previamente desconocidos que pueden responder muchas preguntas sobre el crecimiento de los dañosdepósitos y también explican el efecto de los factores de riesgo genético. Los resultados han sido publicados en la revista ciencia .
La estructura revela cómo las muchas moléculas de proteína Aβ individuales se escalonan en capas una encima de la otra y se organizan en los llamados protofilamentos. Dos de estos protofilamentos se unen entre sí para formar una fibrilla. Si varias de estas fibrillas se vuelvenenredados, esto da lugar a los depósitos o placas típicas que se detectan en los tejidos cerebrales de los pacientes con Alzheimer.
"Este es un hito en el camino hacia una comprensión fundamental de las estructuras amiloides y las enfermedades relacionadas", explica el profesor Dieter Willbold, director del Instituto de Biología Física de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf y director del Instituto de Sistemas ComplejosICS-6 del Forschungszentrum Jülich. "La estructura de fibrillas responde muchas preguntas sobre el mecanismo de crecimiento de fibrillas e identifica el papel desempeñado por toda una serie de mutaciones familiares que conducen a la aparición temprana de la enfermedad de Alzheimer", dice Willbold.
La resolución de 4 angstroms, correspondiente a 0,4 nanómetros, lograda por el equipo está dentro de la magnitud típica de los radios atómicos y las longitudes de enlace atómico. En contraste con el trabajo anterior, el modelo muestra por primera vez la posición exacta y las interacciones delproteínas. Por lo tanto, las moléculas Aβ de los protofilamentos enredados no están al mismo nivel, pero como una cremallera están escalonadas por medio intervalo. Además, la estructura aclara la ubicación y la conformación de los 42 residuos de aminoácidos de las muchas proteínas Aβ individualesmoléculas por primera vez
Esta estructura novedosa y detallada proporciona una nueva base para comprender el efecto estructural de una serie de modificaciones genéticas que aumentan el riesgo de desarrollar la enfermedad. Estabilizan las fibrillas, como se puede ver ahora, al cambiar el modelo de laproteína en ubicaciones definidas. Esto, por ejemplo, también explica por qué en la naturaleza los ratones no desarrollan Alzheimer y por qué una pequeña parte de la población islandesa parece ser más o menos resistente a la enfermedad. Sus variantes de Aβ difieren en tres o un residuo de aminoácidos,respectivamente, que aparentemente son importantes para la estabilidad de las fibrillas.
Diversidad metodológica al más alto nivel tecnológico
En contraste con las placas que son típicas de la enfermedad descubierta por Alois Alzheimer hace más de 100 años, la estructura de fibrillas descubierta ahora no se puede observar directamente bajo el microscopio óptico. Tomó más de un año analizar los datos que los científicos teníanobtenida utilizando la instalación de microscopía crioelectrónica de la Universidad de Maastricht Además, las mediciones utilizando espectroscopía de resonancia magnética nuclear RMN en estado sólido y experimentos de difracción de rayos X ayudaron a complementar y respaldar completamente la imagen de la estructura de fibrillas y validar los datos obtenidos.
"Las imágenes individuales en la microscopía crioelectrónica suelen ser extremadamente ruidosas, ya que las proteínas son muy sensibles a la radiación electrónica y las imágenes solo pueden generarse con una intensidad de radiación muy baja", explica el profesor jun. Gunnar Schröder de Forschungszentrum Jülich y HeinrichUniversidad Heine de Düsseldorf: mediante un procedimiento asistido por computadora, combinó miles de imágenes individuales y, por lo tanto, extrajo datos estructurales de alta resolución de ellas.
"Este es un paso que puede ser muy complicado si la muestra es heterogénea, es decir, si consiste en fibrillas de forma diferente. En el pasado, este era casi siempre el caso con las fibrillas amiloides y representaba una de las principalesobstáculos para el análisis. Sin embargo, ahora teníamos una muestra bastante única con fibrillas muy homogéneas: el 90% de ellas tenían la misma forma y simetría ", dice Schröder.
El Dr. Lothar Gremer de Forschungszentrum Jülich y la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf logró producir el espécimen de fibrilla. "El paso crucial fue retrasar en gran medida el crecimiento de las fibrillas en el espécimen, de unas pocas horas a varias semanas. De este modo, el individuo Aβlas moléculas tuvieron tiempo suficiente para organizarse en fibrillas homogéneas de una manera muy uniforme y altamente ordenada ", agrega Gremer, quien inició y coordinó el estudio.
Las investigaciones de la muestra de fibrillas mediante espectroscopía de resonancia magnética nuclear en estado sólido proporcionaron datos adicionales para construir el modelo y ayudaron a validar la estructura. "La RMN nos permitió obtener información adicional, como qué residuos de aminoácidos forman puentes de sal, mejorando así la estabilidadde las fibrillas ", explica el profesor Henrike Heise de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf y el Centro de RMN Biomolecular de Jülich. Los experimentos de difracción de rayos X supervisados por el Profesor Jörg Labahn en el Centro de Biología de Sistemas Estructurales en Hamburgo confirmaron adicionalmente los resultados.
Antecedentes: microscopía crioelectrónica
La microscopía crioelectrónica es un método de investigación relativamente nuevo para determinar la estructura de las moléculas de proteínas. En el pasado, los científicos utilizaban principalmente la cristalografía de rayos X y la espectroscopía de resonancia magnética nuclear. En 2015, la microscopía crioelectrónica fue elegida como método de investigación delaño por la revista Nature Methods sobre la base del notable progreso realizado. Con el método establecido desde hace mucho tiempo de cristalografía de rayos X, las proteínas primero tienen que convertirse en una forma cristalina, mientras que con microscopía crioelectrónica y también espectroscopía de RMN,los bloques de construcción de proteínas pueden investigarse en su estado natural. En el caso de la microscopía crioelectrónica, las muestras se disuelven primero en agua, luego se congelan rápidamente y finalmente se investigan con un microscopio electrónico. Este método tiene ventajas particulares cuando se trata deinvestigando grandes estructuras compuestas de cientos o miles de proteínas.
El establecimiento de una instalación para microscopía crioelectrónica de alta resolución en el futuro dará a los científicos de Jülich la oportunidad de investigar moléculas biológicas mediante este procedimiento relativamente nuevo. Forschungszentrum Jülich y Heinrich ya han presentado una solicitud conjunta para dicha instalaciónHeine University Düsseldorf y es conocida por la abreviatura ER-C 2.0.
Antecedentes: desarrollo del tratamiento del Alzheimer
Además de la investigación básica, el Instituto de Sistemas Complejos de Jülich ICS-6 también está desarrollando una nueva estrategia de tratamiento con su propio candidato a fármaco. Se planea fundar una empresa spin-off llamada Priavoid GmbH este año con la misión decontinuación de este desarrollo. Según el cronograma actual, se prevé que el candidato a fármaco se someterá a pruebas en humanos como parte de un estudio de fase 1 en noviembre de 2017.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Forschungszentrum Juelich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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