O modificador amilóide SERF1a interage com polyQ | Grupo de pentes de ponta de Guangdong

Biologia das Comunicações, volume 6, número do artigo: 767 (2023) Citar este artigo

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Expansão e fibrilação anormais da poliglutamina (polyQ) ocorrem na doença de Huntington (DH). O modificador amilóide SERF aumenta a formação de amilóide, mas o mecanismo subjacente não é revelado. Aqui, o efeito de fibrilação e toxicidade do SERF1a no Htt-exon1 é examinado. SERF1a aumenta a fibrilização e interage com Httex1 fundido com tiorredoxina mutante (Trx). Estudos de RMN com peptídeos Htt mostram que TrxHttex1-39Q interage com as regiões helicoidais em SERF1a e SERF1a interage preferencialmente com os 17 resíduos N-terminais de Htt. A análise ao longo do tempo mostra que o SERF1a induz o mutante TrxHttex1 a uma única conformação enriquecida em folha β. A co-expressão de SERF1a e Httex1-polyQ em neuroblastoma e infecção lentiviral de SERF1a em neurônios derivados de células-tronco polipotentes induzidas por HD (iPSC) demonstra o efeito prejudicial de SERF1a em HD. Nível mais alto de transcrito ou proteína SERF1a é detectado em HD iPSC, camundongos transgênicos e plasma HD. No geral, este estudo fornece mecanismo molecular para SERF1a e mutante Httex1 para facilitar o desenvolvimento terapêutico para HD.

Inclusões proteicas foram encontradas em muitas doenças neurodegenerativas, incluindo β-amilóide (Aβ) e tau na doença de Alzheimer (DA), α-sinucleína na doença de Parkinson e proteínas poliglutamina (polyQ) em doenças atribuídas a repetições expandidas de trinucleotídeos CAG1. A doença polyQ mais conhecida é a doença de Huntington (HD), um distúrbio fatal autossômico dominante causado pela expansão CAG no éxon 1 do gene da Huntingtina (HTT)2. A expansão se traduz em proteínas Htt mutantes com um trato poliQ expandido flanqueado por 17 aminoácidos N-terminais (NT17) e domínio de poliprolina C-terminal. Htts mutantes com mais de 35-40 resíduos de glutamina são propensos a se dobrarem incorretamente e formarem fibrilas amilóides que, em última análise, se depositam como inclusões no núcleo e no citoplasma dos neurônios, resultando em perda neuronal e disfunção cerebral progressiva . A idade de início da doença está relacionada à duração da expansão do trinucleotídeo CAG2,7. Esses pacientes apresentam comprometimento da coordenação muscular, declínio cognitivo e transtorno psiquiátrico. O mecanismo patogênico subjacente está atualmente sob intensa investigação. No entanto, ainda falta uma terapia eficaz para a DH.

As inclusões de Htt encontradas na HD são acompanhadas de aumento do estresse oxidativo e apoptose2,8. O exon 1 de Htt pode se agrupar em estruturas oligoméricas esféricas9,10 que contribuem para a toxicidade neuronal11,12. Outro estudo utilizando a proteína de fusão tiorredoxina-polyQ mostrou que o monômero polyQ de folha β solúvel é citotóxico . Estudos de cristalografia de raios X mostraram que o exon 1 de Htt com 17Q compreende um NT17 helicoidal, uma região poli17Q flexível e uma região helicoidal de poliprolina . Estudos de RMN mostraram que o domínio NT17 e a trilha poli17Q formam uma estrutura helicoidal parcial . Estudos bioquímicos e de simulação sugeriram que o monômero poliQ com maior expansão de glutamina forma estruturas colapsadas heterogêneas na água . O monômero PolyQ é considerado o núcleo crítico para a fibrilação longa do polyQ . Durante a fibrilização, os oligômeros Htt solúveis aparecem no estágio inicial e, mais tarde, o polyQ prossegue para formar fibrilas de folha β com um núcleo em gancho β interdigitado.

Proteínas PolyQ e príons ricos em Q/N estão envolvidos em transições estruturais complexas para formar estruturas β e gerar neurotoxicidade . Um papel essencial da estrutura de bobina enrolada para agregação foi encontrado em interatores proteicos ricos em poliQ e Q / N, incluindo o exon 1 de Htt, e a análise de bioinformática mostrou que 63% dos interatores Htt contêm ou prevê-se que contenham estruturas de bobina enrolada . As bobinas enroladas são compostas por múltiplas estruturas α-helicoidais, nas quais as interfaces são baseadas principalmente na repetição de resíduos em heptal. Eles desempenham um papel essencial nas interações proteína-proteína, na oligomerização e em outras funções através do enrolamento das hélices . Descobriu-se que as mutações desestabilizadoras da bobina enrolada de Htt inibem a agregação in vivo de Htt72Q e abolem a citotoxicidade induzida por Htt72Q23. Em conjunto, a investigação da estrutura poliQ expandida e dos interatores envolvidos na formação de amiloide poderia facilitar o desenvolvimento do tratamento para a DH.

95% purity (Supplementary Fig. 1c) after thrombin cleavage to remove the His-tag. Next, SERF1a was subjected to far-UV circular dichroism (CD) spectroscopy to examine the secondary structure (Supplementary Fig. 1d). The results showed a double minima spectrum that is consistent with previous literature27,29. Nuclear magnetic resonance (NMR) backbone assignment (NH, Cα, Cβ, and CO) for recombinant was 92% completed to further explore the structure details of SERF1a. A total of 54 out of 62 backbone amides were assigned under the experimental condition (pH 6.8 and 298 K, Supplementary Fig. 1e), while the unassigned residues included M1, K13, K47, Q48, K49, K54, K55, and Q58. The secondary structure elements of SERF1a were identified using CSI 3.030 on the basis of 13Cα, 13Cβ, 13CO, and 15N chemical shifts of SERF1a (Supplementary Fig. 1f). The results indicated that SERF1a was composed of two helices, residues E8 to Q12 and A33 to A51, connected by a long loop. We added 10% trifluoroethanol (TFE), a helix-inducing agent31,32, and found both helices were extended (R7-N14 and A33-K55). Thus, TFE treatment induced helical content by extending the length of helices. SERF1a was further subjected to sedimentation velocity examination in analytical ultracentrifugation (AUC) at 4 °C and 20 °C to examine its assembly (Supplementary Fig. 1g). The result showed only a single peak in C(s) distribution, in which the friction ratio of SERF1a was 1.68. These results demonstrated that SERF1a is predominantly monomeric with slightly extended conformation with α-helical structures./p> 0.1ppm), while the intensity changes in 15N-SERF1a amide signals could be detected clearly. The intensity drop of each residue was normalized to K62 signal, and the residue showing the least intensity changes during titration was plotted (Fig. 3d and Supplementary Fig. 7, Supplementary Data 1). Almost all residues experienced intensity drop, and the residues showing intensity drop > 70% were G4, N5, Q6, A10, R11, N14, Q19, T32, A33, Q35, R36, Q38, and A50. This result indicated that the main regions of SERF1a affected by TrxHttex1-39Q addition were the N-terminus and α-helical regions (Fig. 3e)./p> 0.1 ppm or residues with normalized intensity drop > 70% were highlighted in blue. e Secondary structure of SERF1a determined by chemical shift index (CSI 3.0). Residues with CSP > 0.1 ppm or residues with normalized intensity drop > 70% were marked with black dots./p>

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