Overextended polyglutamine in huntingtin protein has eclectic effects on the cell The Scientist Volume 17 | Issue 10 | 32 | May 19, 2003 | |||||||||||||||||||||||
|
References 1. J. F. Gusella et al., "A polymorphic DNA marker genetically linked to Huntington's disease," Nature, 306:234-8, 1983. 2. The Huntington's Disease Collaborative Research Group, "A novel gene containing a trinucleotide repeat that is unstable in Huntington's disease chromosomes," Cell, 72:971-83, 1993. 3. F. Nucifora et al., "Interference by huntingtin and atrophin-1 with CBP-mediated transcription leading to cellular toxicity," Science, 291:2423-8, March 23, 2001. (Cited in 142 papers) 4. J. Steffan et al., "Histone deacetylase inhibitors arrest polyglutamine-dependent neurodegeneration in Drosophila," Nature, 413:739-43, Oct. 18, 2001. (Cited in 70 papers) 5. N. Bence et al., "Impairment of the ubiquitin- proteasome system by protein aggregation," Science, 292:1552-5, 2001. (Cited in 143 papers) 6. G. W. Huntington, "On chorea," Medical Surgical Reporter, 26:317-21, 1872. 7. M.F. Perutz et al., "Glutamine repeats as polar zippers: their possible role in inherited neurodegenerative diseases," Proc Natl Acad Sci, 91:5355-8, 1994. 8. A. Kazantsev et al, "Insoluble detergent-resistant aggregates form between pathological and nonpathological lengths of polyglutamine in mammalian cells," Proc Natl Acad Sci, 96:11404-9, 1999. 9. E. Hockly et al., "Suberoylanilide hydroxamic acid, a histone deacetylase inhibitor, ameliorates motor deficits in a mouse model of Huntington's disease," Proc Natl Acad Sci, 100:2041-6, Feb. 18, 2003. |
Выяснение механизма нейрональной гибели при Huntington disease (HD) имеет свои изгибы и повороты. Потребовалась декада, чтобы перейти от маркера1 к гену,2 а теперь после еще одной декады детали начали складываться воедино. 3 работы, опубликованные в 2001, были сконцентрированы на двух ключевых ролях патологической формы белка huntingtin - связанных с транскрипцией3,4 и закупоркой (plugging) протеосом, клеточными compactors отходов для неправильно упакованных белков.5
В конце 1800s, Long Island врач George Huntington описал заболевание, которое характеризовалось неконтролируемыми, танцеобразными движениями и изменениями личности.6 После длительной болезни индивиды с HD погибали от осложнений, таких как удушье или инфекция. Генетический маркер, открытый в 1983, получил имя G8, а ген, открытый спустя 10 лет, получил столь же нелогичное имя IT15, "interesting transcript 15." HD был первым из идентифицированных нарушений с увеличенными повторами триплетов, обусловливающих добавочные глютамины на N-конце huntingtin's. Нормальный huntingtin имеет 34 глютаминовых повтора и является скорее антиапоптическим. Мутантные белки содержат более 40 повторов и вызывают HD.
Дикого типа huntingtin расщепляется и остается в цитоплазме. Удлинненный проникает в ядро, где оказывает двойной эффект. Мутантный huntingtin проникает в ядро через поры, теряет свою антиапоптическую функцию и генерирует токсические продукты. Аномально увеличенный huntingtin м. блокировать транскрипционные факторы, а также засорять протеосомы.
HD м. являться результатом неблагоприятного спаривения: полиглютамины более легко агрегируют, чем др. аминокислоты, а нейроны наиболее чувствительные к этим эффектам, чем др. клетки.7,8 Повышенная чувствительность нейронов м.б. связана с тем, что они более не делятся, они имеют разные наборы экчпрессируемых белков и когда они стареют, то их способность справляться с клеточными инсультами снижается.4 Кроме того, нейроны имеют др. наборы экспрессируемых транскрипционных факторов, чем др. клетки и эти транскрипционные факторы м.б. более чувствительны к влияюнию белков, содержащих полиглютамины.
TRANSCRIPTIONAL DYSREGULATION
Две из Hot Papers3,4 посвящены взаимодействию между huntingtin и транскрипционным фактором, CREB binding protein (CBP), который содержит 18-glutamine stretch. Аномальный huntingtin связывает CBP, нарушая его способность запускать транскрипцию др. генов. its ability to turn on transcription of other genes. В работах идентифицированы разные места, где белки встречаются.
Johns Hopkins' Christopher Ross, Ted Dawson, и Frederick Nucifora наблюдали за клетками, культивируемыми от трансгенных мышей и людей, умерших от HD.3 Они обнаружили, что мутантный huntingtin соединяется только с CBP, если у него присутствуют его 18 глютаминов, указывая тем самым, что полиглютаминовые участки (tracts) притягиваются др. к др. Они показали также, что избыток CBP м ослаблять (dilute) мутантный эффект huntingtin's. Деформированный транскрипционный фактор м. приводить к целенапрпавленным серьезным эффектам. Описанный механизм патогенеза HD м. иметь значение и для др. нейродегенеративных заболеваний с агрегатами белков и inclusion тельцами, таких как б-нь Parkinson и Alzheimer. Это указывает на то, что агрегаты этого аномального белка не являются непосредственно токичными, но м. служить нижестоящими маркерами др. патогенетических событий, такиех как перераспределение критических белков.
Напротив, во второй Hot Paper4 использовали бесклеточный подход, клетки млекопитающих в культуре и клетки Drosophila, чтобы показать, что местом взаимодействия у CBP является активный сайт с acetyltransferase активностью, а не его полиглютамины. CBP включает транскрипцию путем добавления acetyl групп к гистонам, действие противоположное deacetylases. Лекарства, которые ингибируют histone deacetylase устраняют эффекты мутантного huntingtin, обусловливая ацетилирование активного сайта.
Обе группы полагали, что мутантный that huntingtin м. захватывать CBP в любом месте, вообще-то в зависимости от условий. Предполагается, что связывание ацетилазного сайта нарушает нормальную функцию, тогда как связывание 18 полиглютаминов обусловливает аномальную функцию. В работе4 высказывается предположение, что увеличенные полиглютаминовые повторы м. притягивать подобно Velcro, совершая (gumming up) работу таким образом, который не имеет ничего общего в нормальной ролью полиглютаминов в транскрипционных факторах. По данным Nucifora's др. белки м. действовать как мостики в клеточных взаимодействиях между CBP и huntingtin, это ведет к колокализации или коиммунопреципитации. Взаимодействия in vitro м.б. связаны с непосредственными взаимодействиями двух растворимых белков.
BLOCKING THE PROTEASOME
Мутантный huntingtin разрушает также ubiquitin-proteasome систему, клеточную канализацию. При упаковке белка частично структуированные промежуточные образования подвергаются структурному переходу в стабильное состояние. Имеются множественные траектории и множество промежуточных образований на пути складывания нативной молеккулы.
Ubiquitin-proteasome система находит и разрушает неправильно уложенные белки, которые прежде polyubiquitinated. "The protein then unfolds at a proteasome particle, and is fed into it". Но даже более сложные имеющиеся в распоряжении отходы м. приводить к закупорке (clogged). Протеинозные сфероиды при amyotrophic lateral sclerosis, сплетения при Alzheimer disease и тельца Lewy при б-ни Parkinson, м.ее блокировать. Мутантный huntingtin м. делать то же самое.
Для измерения функции протеосом они связывали green fluorescent protein (GFP) с дестабилизирующим пептидом. Если протеосомы работают, то сигнал будет исчезать в течение получаса в результате процессинга белка. Но если протеосомы закупорены, подобно backed-up канализационной трубе, то флюоресценция будет сохраняться.
Исследователи прикрепляли дестабилизированный репортер к двум версиям первого экзона huntingtin, один с нижним порогом в 25 глютаминов, др. с 103. Короткий сегмент покидал протесомы с легкостью и быстро. Однако более длинные молекулы становились прикленными, продуцируя нечто в виде Bence calls "a frustrated proteasome". Т.к. протеосомы закупоривались, то и др. несчастные белки также накапливались.
IMPLICATIONS AND APPLICATIONS
Extyst полагают, что мутантный huntingtin выступает как нарушитель транскрипции и разрушитель протеосом. Очевидно оба процесса происходят одновременно и каждый из них м. приводить клетку к гибели. Комбинация их м. ускорять гибель клеток. предполагается, что протеосомный эффект является отдельным и м.б. механизмом, общим для всех белков, приводящих к болезням неправльной упаковки белков (protein misfolding).
Успехи с ингибиторами histone deacetylase по сохранинию восприятия света и жизнеспособности у мух привели к сходным результатам и у мышей.9 Лекарство SAHA (suberoylanilide hydroxamic acid) драматически улучшает их двигательные способности. Gillian Bates, professor of neurogenetics, medical, and molecular genetics at King's College London, notes, "We carried out the mouse trial as a direct result of the fly work. This is the first time that a compound/drug has been used in cell culture, yeast, and fly systems and then gone on to work in mice. It partly validates the pipeline of models for developing therapeutics."
| ||||||||||||||||||||||
IN A FLY'S EYE: The regular repeating structure of the Drosophila melanogaster compound eye is disrupted when polyglutamine (polyQ 108) is expressed, making the fly eye an excellent model for huntingtin-derived pathology. 
