Посещений:
БОЛЕЗНЬ АЛЦГЕЙМЕРА

Предупреждение Образования Аβ
Ключевым патологическим свойством болезни Alzheimer's является образование β-amyloid (Aβ). Разработка низкомолекулярных лекарств, которые бы препятствовали агрегации Aβ затруднительна.


 | Ab; агрегат

Gestwicki, J. E., Crabtree, G. R. & Graef, I. A. Harnessing chaperones to generate small-molecule inhibitors of amyloid b aggregation. Science 306, 865–869 (2004) | Article |  PubMed |  ChemPort

FURTHER READING
Wolfe, M. S. Therapeutic strategies for Alzheimer's disease. Nature Rev. Drug Discov. 1, 859–866 (2002) | Article  |  PubMed |  ISI |  ChemPort

Citron, M. Strategies for disease modification in Alzheimer's disease. Nature Rev. Neurosci. 5, 677–685 (2004) | Article  |  PubMed |  ChemPort


Noninvasive technique reduces beta amyloid plaques in mouse models of Alzheimer's disease

Hannah F. Iaccarino, Annabelle C. Singer, Anthony J. Martorell, et al. Gamma frequency entrainment attenuates amyloid load and modifies microglia. Nature, 2016; 540 (7632): 230 DOI: 10.1038/nature20587

Выявлен метод индукции в головном мозге gamma oscillations, чтобы помочь головному мозгу подавлять продукцию beta амилоида и настраивать клетки на разрушение бляшек.


Brain wave stimulation


Болезнь Алцгемера затрагивает более 5 миллионов насления США. Предыдущие исследования указали на то, что Alzheimer's пациенты обнаруживают нарушения гамма осцилляций. Эти волны в головном мозге в диапазоне 25 - 80 герц (циклов в секунду), как полагают, вносят вклад в нормальные функции головного мозга, такие как внимание, восприятие и память.
У мышей, моделирующих болезнь Алцгеймера, Tsai и её коллеги установили нарушения гамма осцилляций во время активных процессов, необходимых для обучения и памяти. Затем исследователи стимулировали гамма осцилляции в 40 герц в гиппокампе, который является критическим для формирования памяти и восстановления (retrieval). Эти исследования базировались на технике, известной как optogenetics, которая позволяет ученым контролировать активность генетически модифицированных нейронов путем воздействия на них ярким светом. Исследователи стимулировали определенные клетки головного мозга, известные как промежуточные нейроны, которые затем синхронизировали гамма активность возбудимых нейронов.
После часовой стимуляции в 40 герц, выявлено 40-50% снижение уровней beta амилоидных белков в гиппокампе. Используя специальное устройство, исследователи установили, что воздействие в течение часа проблесковым светом в 40 герц усиливает гамма осцилляции и снижает уровни beta амилоида наполовину в зрительной коре мышей на очень ранних ст. возникновения болезни Алцгеймера. Однако, белки возвращались к своим исходным уровням в течение 24 ч.
После воздействия на мышей в течение часа в день в течение 7 дней наблюдалась заметное снижение бляшек и свободно циркулирующего амилоида. Исследователи пытаются теперь определить продолжительность такого эффекта. Кроме того, было показано, что гамма ритмы редуцируют и др. признак болезни: аномально модифицированный Tau белок, который может формировать узелки в головном мозге.
Проверяется, может ли свет управлять гамма осцилляциями в регионах головного мозга помимо зрительной коры, предварительные данные указывают, что это возможно.
После гамма стимуляции процесс генерации бета амилоида становится менее активным и улучшается способность головного мозга удалять бета амилоидные белки, процесс, осуществляемый, как известно, иммунными клетками, известными как микроглия. После проблескового воздействия на мышей их микроглия подвергается морфологическим изменениям и становится более активной в отношении очистки бета амилоидных белков .


Jessica Nasica-Labouze, Phuong H. Nguyen, Fabio Sterpone et al. Amyloid β Protein and Alzheimer’s Disease: When Computer Simulations Complement Experimental Studies Chem. Rev., 2015, 115 (9), pp 3518–3563

Болезнь Алцгеймера (AD) это прогрессирующее необратимое нейрологическое нарушение с заметной атрофией коры головного мозга и потерей кортикальных и субкортикальных нейронов, которые характеризуются патологическим накоплением амилоидных бляшек и многочисленных нейрофибрилллярных узелков, образуемых из филамент ассоциированных с микротрубочками высоко фосфорилированных Tau белков.2. Патогенез AD включает и др. факторы, такие как холинергические неисправности и оксидативные стрессы.
Основным составляющим старческих бляшек являются amyloid β (Aβ) пептиды из 39-43 аминокислот. Aβ происходит в результате расщепления трансмембранного белка амилоидного предшественника (APP), локализующегося на хромосоме 21, с помощью β-secretase (BACE1), дающей фрагмент в 99 аминокислот (C99), который далее расщепляется с помощью γ-secretase.4 Последовательность Aβ 1-42 wild-type (WT)у человека такова DAEFRHDSGYEVHHQKLVFFAEDVGSNKGAIIGLMVGGVVIA.
Пять лекарств сегодня доступны к использованию при AD. Они включают четыре холинестеразных ингибитора, donepezil, reminyl, razadyne и rivastigmine и N-methyl-D-aspartate (NMDA) рецептор антагонист memantine. Однако, они эффективны только в течение 6-12 мес. и для половины пациентов с легкими формами б-ни Алцгеймера ( Tan, C. C.; Yu, J. T.; Wang, H. F.et al. Efficacy and Safety of Donepezil, Galantamine, Rivastigmine, and Memantine for the Treatment of Alzheimer's Disease: A Systematic Review and Meta-Analysis// J. Alzheimer’s Dis. 2014, 41, 615-631.). Ученые разработали новые бензополициклические амины с повышенной NMDA рецепторной анагонистической активностью и нацеленные на секретазу BACE (Yan, R.; Vasser, R. Targeting the Я secretase BACE1 for Alzheimer’s disease therapy Lancet Neurol. 2014, 13, 319-329.), Tau и Aβ белки. (Wischik, C. M.; Harrington, C. R.; Storey, J. M. Tau-aggregation inhibitor therapy for Alzheimer's disease. Biochem.Pharmacol. 2014, 88, 529-539; Doig, A. J.; Derreumaux, P. Inhibition of protein aggregation and amyloid formation by small molecules. Curr. Opin Struct. Biol. 2015, 30C,50-56.). Несмотря на множество in vitro и in vivo исследований лекарство за лекарством оказываются неспособны замедлять прогрессирование AD по нескольким причинам.
Главным является то, что олигомеры, такие как димеры, тримеры и 12-меры (Aβ*56) являются наиболее критическими игроками в патологии AD и крупные агрегаты и фрагменты фибрилл также являются токсичными (Jessica Nasica-Labouze, Phuong H. Nguyen, Fabio Sterpone et al. Amyloid β Protein and Alzheimer’s Disease: When Computer Simulations Complement Experimental Studies Chem. Rev., 2015, 115 (9), pp 3518–3563). Известно, что Aβ1-40/1-42 пептиды подвергаются самосборке в амилоидные фибриллы с помощью механизма полимеризации, зависимого от процессов зародышеобразования (nucleation)и конденсации. Однако, экспериментальные профили первичного и/или вторичного процессов зародышеобразования не дают информации о трехмерной топологии и размерах первичных зародышей Aβ. В целом выяснение конформационных изменений агрегации Aβ затруднено из-за значительной гетерогенности агрегатов, количества разных состояний для каждого агрегата и чувствительности процесса к pH, возбуждению, температуре, концентрации, ионной силе, сурфактантам, взятию выборки и к последовательности (Aβ1-40 vs Aβ1-42).
Показано, что агрегация Aβ пептидов зависит, например, от присутствия клеточных мембран. Пока неясно, как мембраны могут облегчать агрегацию Aβ пептидов и модулировать образование олигомеров, фибрилл и каналов.
Aβ мономер описывается с помощью nuclear magnetic resonance (NMR) и circular dichroism (CD) как случайно скрученный в растворе. И-за их гетерогенности и высокой склонности к агрегации, низкого мол. веса Aβ олигомеры не обнаруживаются с помощью NMR и X-ray кристаллографии. Как результат доступны только низкого разрешения структурные данные от CD, ion mobility mass spectrometry (IM-MS ), electron microscopy (EM), transmission electron microscopy (TEM) и atomic force microscopy (AFM). Эти эксперименты выявили, что фибриллы синтетических Aβ1-42 пептидов имеют U-образные конформации с β-нитями из остатков L17 - F20 и I31-V40 при этом 16 N-терминальных остатков расположены беспорядочно, тогда как фибриллы синтетических Aβ 1-40 пептидов имеют β-нити из Y10 -D23 и A30-G38 с 9 N-терминальными беспорядочными остатками. Образование фибрилл происходит под кинетическим контролем скорее, чем под термодинамическим контролем, что усложняет определние физических факторов, управляющих образованием Aβ 1-40/1-42 амилоидных фибрилл.
Одним из таких фактров является прионовый белок (PrP). Показано с помощью нокаута PrP у мышей, моделирующих AD, что AD патология зависит от экспрессии PrP, поскольку PrP нокаутные мыши формировали Aβ бляшки, но которые не обнаруживали нейротоксичности. Экстракты ex vivo из AD головного мозга показали совместное присутствие Aβ и PrP в милоидных бляшках. Показано, что α-спирально упакованный домен PrPC, занимающий остатки 113-231, не оказывает влияния на рост волокон Aβ, тогда как N-терминальная половина PrP, занимающая остатки 23-126 ингибирует образование милоидных волокон в пользу не связывающих ThT Aβ олигомеров. Было предположено, что N-конецевой домен PrPC является местом взаимодействия с плохо структуированными, высоко токсичными Aβ олигомерами.
Предположен механизм зависимой от PrPC токсичности Aβ, указывающий на то, что Aβ нарушает гомеостаз меди в синапсах, который необходим для нормального зависимого от PrP подавления избыточной NMDA рецепторной активности. Aβ, высвобождаемый в синапсах с picomolar сродством в отношении связывания Cu2+ с PrPC, может разрушать связь Cu и тем самым частично обусловливать повреждения нейронов и синапсов. Имеются доказательства непосредственной связи Aβ и NMDA рецепторов и активации NMDA рецепторов с помощью Aβ олигомеров. Более того, Aβ способствует эндоцитозу NMDA рецепторов и тем самым снижает количетсво NMDA рецепторов на поверхности. Итак, если PrP-Aβ взаимодействие, по крайней мере, частично участвует в возникновении токсичности Aβ, то идентификация молекул, блокирующих это взаимодействие может стать новой фармацевтической мишенью.
Геномные исследования подчеркнули связь между возникновением AD и АТФ-независимым шапероном, clusterin.393 Кластерин принадлежит к семейству внеклеточных укладывающих белок шаперонов, включающего также шапероны α2-macroglobulin, haptoglobin и αS1- и β-casein, которые стабилизирует белки и предупреждают их агрегацю в условиях, обычно приводящих к образоваипю амилоида.350,351,394-396 Кластерин способен вмешиваться в аморфную агрегацию широкого круга белков и тем самым перенаправлять процесс агрегации в процесс сборки расстворимых высокого мол. веса агрегатов.395,397 Показано, что кластерин взаимодействует с небольшими Aβ олигомерами в пределах от димеров до 50-меров и тем самым приводит к образованию долго живущих стабильных комплексов.351, секвестрируя тем самым малые олигомеры, которые наиболее токсичны. Недавно выявлена совместная локализация кластерина с внеклеточными отложениями амилоида, содержащими Aβ. 350 Считается, что кластерин может взаимодейстовать с новой внеклеточной системой proteostasis, в которой серия внеклеточных шаперовнов соединяется с неправильно упакованными белками in vivo, чтобы удерживать их растворимыми и подавлять образование токсичных агрегатов, облегчая их потребление в большем объеме и деградацию посредством рецепторами обеспечиваемого эндоцитоза.398

Graef и др. получили соединение, обозначив его как SLF-CR, используя Congo Red (CR), это небольшая молекула, которая, как известно, действует как лиганд амилоида и синтетический лиганд для K506-binding protein (FKBP) из семейства шаперонов. Установлено, что эта молекула успешно блокирует накопление Aβ, если комбинируется с FKBP, указывая тем самым, что рекрутирование хаперонов является критическим для ингибирования токсичности. Действительно, эти молекулы предупреждали нейротоксичность агрегированных Aβ in vitro.В культивируемых нейронов гиппокампа данная комбинация не только блокирует образование агрегатов, но и предупреждает изменения в морфологии клеток и гибель клеток. В 2009 Graef Isabella A, Crabtree Gerald R, Gestwicki Jason E получили патент "Neurodegenerative protein aggregation inhibition methods and compounds US 20080182792 A1" на соединения SLF-But-CR/FKBP и SLF-Benz-CR/FKBP. Наиболее активное соединение, SLFBenz-CR/FKBP, имеет IC50 приблизительно в 50 nM. Это значение в 40 раз лучше, чем CR/FKBP и в 6 раз лучше по сравнению с исходной родительской комбинацией, SLF-CR/FKBP. Нет сведений об клинических испытаниях препаратов.

Терапевтический эффект фенилбутирата по улучшение памяти у модельных AD мышей обусловлен двойным механизмом, который зависит от его эффектов на транскрипцию генов (субъединиц NMDAR NR1 и NR2B и белков синаптического трафика и каркаса) и от его защищающего клетки эффекта шаперона (A. Ricobaraza, M. Cuadrado-Tejedor, S. et al. Phenylbutyrate rescues dendritic spine loss associated with memory deficits in a mouse model of Alzheimer disease.Hippocampus Special Issue: Proteins and Proteomics Volume 22, Issue 5, pages 1040–1050, May 2012).
Внеклеточным партнером по связыванию для Aβ является сывороточный альбумин человека (human serum albumin (HSA)). Альбумин в больших количествах обнаруживается в плазме крови с концентрацией ca. 640 µM. Концентрации альбумина в спинно-мозговой жидкости значительно ниже (3 µM).403 Почти половина Aβ в CSF связана с HSA и эта связь устраняется из формирующихся фибрилл. Это подтверждает роль HSA в регуляции роста Aβ фибрилл интерстициуме головного мозга. Предполагается также связь AD с недосаточным снабжением ретиноидами (A.B. GOODMAN. Retinoid Receptors, Transporters, and Metabolizers as Therapeutic Targets in Late Onset Alzheimer Disease J.Cell.Physiol. 2006.- V.209. No 3. P.598-603)/ Определенные производные glycolipid сахаров, такие как scyllo-inositol (AZD-103)при оральном применении у APP трансгенных мышей приводило к существенному снижению количества бляшек

Взаимодействия Aβ с ингибиторами
Отрицательные результаты недавней фазы III клинических испытаний двух нацеленных на Aβ моноклональных антител, bapineuzumab и solanezumab, летом 2012 указали на необходимость пересмотра принципов терапии AD.42,409
Установлено, что гомодимерный белок из 58 остатков, ZAβ3, соединяется с Aβ1-40 мономером и ингибирует процесс образования фибрилл. Структура комплекса ZAβ3-Aβ1-40, выявляемая с помощью NMR раствора показала, что Aβ1-40 располагается в β-шпилечной конформации, затрагивающей остатки 17-36, тогда как остальные аминокислоты неупорядоченны и края Aβ1-40 β-слоёв закрыты двумя β-нитями ZAβ3 и тем самым блокируют расширение β-слоя Aβ1-40.114 Сходным образом reelin, белок внеклеточного матрикса, стабилизирует Aβ1-42 олигомеры, приводя к снижению токсичности и задержке образования фибрилл. 410
Серия N-метилированных пептидов или пептидов с D-аминокислотой оказалась способной подавлять образование Aβ амилоида, воздействуя или на остатки Aβ 32-37411 или остатки Aβ 16-21 (SEN304; ref 412). Так, SEN304 соединяется с Aβ1-42 мономерами и олигомерами, чтобы помочь образованию нетоксичных агрегатов. При концентрации 100 nM, SEN304 способен почти полностью устранять подавление LTP, вызываемое с помощью 1 µM Aβ1-42 в срезах гиппокампа.412 Недавно два ингибитора с чередующимися D- и L-аминокислотами длиной 21 и 23 имели все свои группы пептидов ориентированными в том же самом направлении, которое, как известно, снижает агрегацию Aβ1-42 и токсичность в молярном соотношении, по крайней мере, 10:1.413
Малые молекулы, как потенциальные кандидаты на роль лекарств против AD исследуются интенсивно в последние годы. Благодаря отличиям в размере, геометрии и химических свойствах эти соединения в целом обнаруживают ингибирующие эффекты тремя способами.
Во-первых, соединения могут связывать фибриллы и снижать токсичность, ограничивая фрагментацию фибрилл. В недавнем исследовании несколько соединений, включая BAF31, как было установлено, снижают цитотоксичность Aβ1-42 в клетках млекопитающих до 90%.9b Эти соединения повышают стабильность фибрилл, ограничивая их фрагментацию скорее, чем снижая образование фибрилл. Эти соединения не соединялись с олигомерами.
Во-вторых, соединения могут ускорять образование фибрилл и снижать время жизни токсичных олигомеров. Напр., orcein-related polyphenol, O4 (Figure 14) непосредственно соединяется с олигомерами и способствует превращению их в крупные амилоидные фибриллы, при этом O4 взаимодействует с гидрофобными остатками Aβ1-42.414
Третий способ, когда малые молекулы взаимодействуют с олигомерами, препятствуя образованию фибрилл. Возникающие комплексы, как полагают off-pathway и нетоксичны. Несколько полифенолов описано, которые ослабляют AD этим способом. ε-Viniferin glucoside (EVG; Figure 14) является одним из полифенолов, который ингибирует образование фибрилл в Aβ25-35, Aβ1-40 и Aβ1-42 и защищает PC12 клетки от гибели, вызываемой этими пептидами.415 Установлено, что EVG вызывает образование поворотов в 10-12 и 28-30 регионах Aβ. Подтверждено, что EVG преимущественно взаимодействует со щелью, образуемой Y10, V12, Q15 и F19 или K28, G29, A30 и I31.416
Др. полифенол epigallocatechin gallate (EGCG; Figure 14) обнаруживает эффекты, сходные с таковыми у EVG. EGCG в данное время находится в фазе 2-3 клинических испытаний против ранних стадий болезни Алцеймера (NCT00951834), которое закончится в июне 2015. EGCG, как было установлено, перенаправлять путь агрегации Aβ и генерирует off-pathway нетоксических олигомеров, неспособных к амилоидному фибриллогенезу.417 EGCG может также ремоделировать зрелые Aβфибриллы в нетоксические олигомеры,418 подтверждая его терапевтический потенциал в лечении AD пациентов. Показано, что EGCG в основном взаимодействует с Aβ остатками 1-16 посредством образования водородных связей и остатками 17-42 посредством гидрофобных взаимодействий.419,420
Помимо полифенолов, не полифенольные молекулы также могут ингибироват образование Aβ фибрилл за счет связывания олигомеров. Carnosine (β-alanyl-L-histidine; Figure 14), естественно возникший дипептид соединяется с Aβ и ингибирует образование фибрилл. Показано, что carnosine образует временные солевые мостики с заряженными остатками в Aβ (R5, K16 и K28) и гидрофобные контакты с CHC (central hydrophobic cluster). 423
Недавно аутооксидация полифенолов,(+)-taxifolin,424 и EGCG425 в производные quinone была описана как важная реакция. Выявлен потенциал производных quinone как ингибиторов агрегации Aβ. В самом деле, quinones и производные quinone ингибируют агрегацию амилоида.426-428 В 2010, Scherzer-Attali et al. обнаружили, что производные quinone, NQTrp (1,4-naphthoquinon-2-yl-L-tryptophan; Figure 14), способен ингибировать образование фибрилл Aβ1-42 и вызывать полное восстановление фенотипа у трансгенной модели AD Drosophila.429 Показано, что NQTrp молекулы являются наилучшим из лигандов Aβ17-42 тримерных структур среди 5 лекарст в виде малых молекул, включая полифенолы.208


Укороченные варианты Aβ и патогенетические и защитные мутации Aβ

Семейные формы болезни (FAD) Алцгеймера составлют лишь небольшую долю от всех случаев AD и обнаруживают аутосомно доминантный паттерн наследования, который приводит к раннему появлению симптомов (в целом между 40 и 65 годами). FAD мутации возникают в генах presenilin PSEN1 и PSEN2, а такжен в гене для APP, из которого возникает Aβ.
Свыше 30 мутаций в гене APP известны на сегодня, 25 из них являются патогенными и аутосомно доминантными с ранним началом болезнями и 2 из них описаны как мутации, защищающие от AD.440
Наблюдаются 4 типа FAD генетических аберраций в гене APP: полное удвоение гена, одиночные точковые missense замены, и делеции или инсерции нуклеотидов. Генные дупликации вызывают избыточную экспрессию APP, которая неминуемо приводит к избыточной продукции Aβ441 и ко всей последующей сопровождающей её токсичности. Некоторые мутации возникают вблизи APP-Aβ, сайтов с помощью секретаз β и γ расщепления, которые обычной приводят к избыточной продукции Aβ442,443 или сдвигают относительные количества Aβ1-40 и Aβ1-42 в направлении более высокой продукции более токсичных Aβ1-42. Предполагается, что передача сигналов Rho–Rock модулирует специфичность расщепления с помощью γ-secretase, и что NSAIDs (nonsteroidal anti-inflammatory drugs) влияют на расщепляющую активность γ-secretase через их взаимодействие с Rho (Zhou, Y. et al. Nonsteroidal anti-inflammatory drugs can lower amyloidogenic Aβ42 by inhibiting Rho. Science 302, 1215–1217, 2003).
Многие патогенные FAD мутации увеличивают склонность Aβ агрегировать in vitro.442,443 В особенности, мутации, расположенные в или близи CHC, Flemish (A21G), Dutch (E22Q), Italian(E22K), Arctic (E22G) и Iowa (D23N) мутации, которые также увеличивают токсичность, вызываемую Aβ. Из-за своей тесной близости к сайту α-расщепления (K16-L17), некоторые из этих мутаций были описаны как снижающие генерацию не-амилоидных продуктов и повышающих уровни мутантных Aβ, резистентные к энзиму деградации Aβ neprilysin.444 Teplow et al. охарактеризовали роль различных остатков и сообщили, что Aβ1-40 наиболее чувствителен к мутациям в позициях 22 и 23, таким как E22G и D23N, тогда как Aβ 1-42 наиболее подвержен A21G.150 Было показано, что A21G снижает элонгацию фибрилл и способствует формированию протофибрилл и токсических олигомеров, тогда как E22G увеличивает количество образования протофибрилл. Эффекты FAD мутаций A21G и E22G были также изучены с использованием IM-MS, показавшим, что распределения ранних олигомеров отличается у каждого из мутантов и у Aβ аллоформ.53 Др. патогенная FAD мутация это Osaka E22Δ, которая состоит из делеции остатка 22. E22Δ , как известно, вызывает холестеролом обеспечиваемую токсичность, поскольку мутация модулирует уровни внутриклеточных и внеклеточных Aβ, секреция которых обычно регулируется утечкой холестерола.445 Мутация de novo D23Y и замены пролина в CHC, как было установлено, затрагивает самосборку и токсичность.139,446
Эксперименты также подчеркнули важность N-терминальных остатков 1-16,50,53-55,444,447, чья роль была занижена в последнее время из-за их чрезвычайно дезорганизованной струкуры в синтетических Aβ фибриллах. сюда входят FAD H6R (English), D7H (Taiwanese) и D7N (Tottori) мутации. В частности, D7N ускоряет кинетику перехода в конфигурации, богатые β-слоями, и способствует раннему образованию олигомеров высокго порядка с более α/β структурами, которые значительно более токсичны по сравнению с WT Aβ1-40 и Aβ1-42.149a Также было показано, что FAD D7N мутация приводит к раннему распределению олигомеров, которое отличается такового Aβ1-40 и β1-42.53 Двойная замена D1E/A2V также затрагивает фибриллогенез Aβ1-40 и преимущественно формирует нейротоксические агрегаты.448 Наконец, FAD мутация, K16N, выявленная в одной семье, обнаруживает увеличение продукции Aβ из-за бедности субстрата для α-секретазы. Мутантный K16N Aβ сам по себе не является вредным, но становится токсичным, если смешивается в эквимолярном соотношении с WT Aβ, ингибируя образование фибрилл WT Aβ1-42 и продуцируя больше Aβ олигомеров.444
Во многих случаях описываются ключевые взаимодействия боковых цепочек как источник токсичности Aβ. На базе модели фибриллы Aβ1-42,29 мутация K16N предположительно добавляет водородный мостик между боковыми цепочками K16 и N16 в гетеротетрамерах, увеличивая тем самым стабильность агрегатов.444 Важность остатков лизина в Aβ была подчеркнута Sinha et al., которые тщательно проанализировали K16A и K28A мутантов.151a K16, как известно, важен для прохождения фибриллогенеза, тогда как K28, как полагают, стабилизирует петлю управления упаковки Aβ. Они установили, что каждая мутация с помощью аланина оказывает выраженные эффекты на сборку Aβ и драматически снижает токсичность Aβ, указывая на возможность разработки ингибиторов, нацеленных на K16 и K28. Др. пример представлен FAD D23N мутацией, которая путем предупреждения образования соляных мостиков с K28, также модифицирует токсичность. Наконец, English мутация, путем добавления одного заряженного остатка и Taiwanese и Tottori мутации, путем делеции одного заряженного остатка, также, скорее всего, изменяют сеть и популяции всех соляных мостиков.
Неожиданно, отсутствует токсичность FAD мутаций, описанных в C-терминальном регионе (остатки 30-42), хотя высокий процент Aβ с Met-sulfoxide в позиции 35 присутствует в головном мозге при AD,449, но de novo Aβ G33A и GI33 варианты, как было установлено, способствуют процессу агрегации in vitro за счет увеличения популяции крупных олигомеров (16-20-mers) за счет малых олигомеров (2-4-mers). Однако, как они влияют на структуру рано сформированных Aβ1-42 олигомеров, остается открытым вопросом.450 На базе экспериментов in vitro и in vivo олигомеры Aβ1-42 с заменами G33 на аланин и изолейцин оказались значительно более токсичными, чем WT Aβ1-42, подтверждая, что G33 может представлять собой критический остаток, связанный с токсичностью и олигомеризацией. 450 Усиление склонности к агрегации Aβ1-40 было подтверждено у двойных de novo мутантов G33V/V40A и I31L/M35L,451 , а исследование Hecht et al. продемонстрировало, что специфические неполярные боковые цепочки в C-терминальной половине Aβ1-42 не нужны для агрегации и амилоидогенеза.452
Помимо Aβ1-40 и Aβ1-42, укороченные Aβ4-42 и Aβ5-42,46 Aβ1-26, Aβ1-30 и Aβ1-39 пептиды обнаруживаются в амилоидных бляшках.40 Пептид Aβ1-43 peptide, расширенный за счет одиночного треонина на C-конце по сравнению с Aβ1-42, обнаруживает более сильную нейротоксичность и более высокую способность к агрегации, чем Aβ1-42453 и увеличивает степень агрегации протофибрилл и обнаруживает меделенные C-терминальные перемещения в мономерных и в связанных в протофибриллы формах Aβ1-43.454 Кроме того, многие посттрансляционные модификации Aβ пептидов также наблюдаются в амилоидных бляшках. Среди модификаций, протеолитическое удаление D1 и A2 и последующее замыкание в кольцо E3 и E11 в pyroglumate (Aβ3(pE) и Aβ11(pE)) особенно интересно.47-49 Aβ(pE) являются наиболее цитотоксичным и агрегируют более быстро, чем обычный Aβ. Лишь 5% Aβ3(pE)-42, смешанного с 95% WT Aβ1-42, достаточно, чтобы существенно повысить цитотоксичность in vivo благодаря образованию гибридных Aβ3(pE)-42/Aβ1-42 олигомеров. Было предположено, что Aβ3(pE) может запускать AD за счет умножения посредством template-folding прион-подобного механизма с Aβ1-42. Этот укороченный вариант также известен, как действующий Tau-зависимым способом и особенно резистентен к деградации.50
Наиболее интригующие и интересные мутации это несомненно защищающие от AD, но они не были изучены тщательно экспериментально и теоретически. Описаны две защитные мутации в позиции 2 у Aβ (в позиции 673 у APP). В Italian родословной, A2V, вызывает AD с ранним началом, если только наследуется от обоих родителей, тогда как гетерозиготные носители A2V не затрагиваются. A2V усиливает кинетику агрегации Aβ1-40 по фактору 4, но смесь Aβ1-40 WT и A2V пептидов защищает от AD.54 Подтверждена нестабильность смешанных агрегатов.455
Мутация A2T, с др. стороны, всегда является защитной мутацией в гомозиготной и гетерозиготной форме. Эта мутация снижает продукцию Aβ на 40%, в отличие от A2V в её гомозиготном состоянии, при котором продукция Aβ усиливается.54 Выявлено, что мутации, оказывая незначительный эффект на агрегацию пептида Aβ1-42, сильно модифицирует свойства пула Aβ1-40, при этом A2V ускоряет, а A2T задерживает агрегацию пептидов.
Итак, физические свойства Aβ1-40/42 A2V/A2T и Aβ3(pE)-42 пептидов оставляют множество открытых вопросов и открывают новые перспекивы по разработке лекарств.

11. CONCLUSIONS Наши знания о стрктуре синтетических A β 1 - 40/1 - 42 фибрилл, протофибрил и крупных олигомеров заметно выросли в последние годы и стало ясно, что полиморфизм присутствует как в мономерах, так и фибрилах. Известно, что фибриллы с разными молекулярными структурами могут возникать в ответ на зависимую от окружающей среды само-сборку и кинетику скорее, чем на контроль термодинамики. Установлено также что метастабильные состояния могут возникать легче за счет использования соотв. затравок (seeds) или под действием сдирающего кровтока (shear flow), и структурные модели Aβ1 - 40 фибрилл, которые формируют разные образования в головном мозге пациентов с Alzheimer 's с разными симптомами AD. Эта высокая степень полиморфизма, которая возникает из-за многих физических факторов и персистирует в тканях головного мозга, коррелируя с разными фенотипическими отклонениями довольно плохая новость для разработки лекарств, поскольку одно лекарство может быть эффективным у одного пациента, но не у другого.
Наши знания о структурной и динамической характеристике самых малых олигомеров, наиболее токсичных видов, и мономеров, премещающихся в очень ограниченном пространстве из-за их скоротечного характера и прирожденных нарушений, с помощью новых экспериментальных методов и методов эффективной сборки, с использованием множественных силовых полей и репрезентаций, наши знания об этих видах в водных растворах вблизи или на мембранах, с металлом или без, существенно увеличились, хотя полиморфизм агрегатов и высокая чувстительность к внешним условиям не облегчают воспроизводимость экспериментальных показателей и сходства моделей. Одним из преимуществ компьютерного моделирования является то, что подсчеты могут быть повторены с использованием разных условий pH и модельных мембран и могут быть исследованы эффекты сайт-специфических мутаций.
Характеристика первичного ядра/ядер и популяции амилоид-компетентных мономерных состояний477 перед lag фазой остается затруднительным как экспериментально, так и теоретически из-за чувствительности к экспериментальным условиям и последовательности аминокислот. Одна аминокислотная замена достаточна, чтобы изменить ландшафт свободной энергии, как видно из её кинетики, а распределение вариантов размера олигомера FAD Aβ и недавние находки изотопного редактирования и ss-NMR, что Aβ 16-22 c E22Q характеризуется неожиданной антипараллельной ориентацией β-нитей, промежуточным состоянием, которое позднее переходит полностью в параллельные β-нити, подтверждает новый механизм зародышеобразования (nucleation) на пути прогрессивной сборки. Понимание взаимодействий Aβ 1-40/42, Aβ 1-40/42 A2V и A2T вариантов и Aβ3(pE)-42 пептидов как в мономерных, так и олигомерных формах, устанавливаемых с помощью ионов металлов и различных клеточных компонентов является главной задачей по выяснению молекулярных механизмов в начале AD.
Как структура Aβ может быть связана с механизмом токсичности всё ещё неизвестно, посколько токсичностью обладают все олигомеры и фибриллы. Одним из источников токсичности является формирование мембранных каналов и конформация cylindrin, как полагают, является токсичной, но другие конформации антипараллельных β-sheet также рассматриваются как токсические. Кроме того, замены одиночных аминокислот способны или снижать (A2T, A2V) или увеличивать (FAD, K16A) токсичность. Другим источником токсичности являются ионы металлов и взаимодействия с клеточными партнерами, но наше понимание их всё ещё сильно ограничено.
Несмотря на активные исследования лекарства за лекарством с целью воздействия на Aβ не удается замедлить течение AD при клинических испытаниях. Возможно, что воздействие на людей происходит слишком поздно, однако имеются и два других узких горлышка для улучшения лекарств. Во-первых, в то время как многие группы работают над разработкой лекарств, которые связывают Aβ фибриллы (следовательно, редуцируют процесс фрагментации) или соединяются с Aβ олигомерами, чтобы замедлить или ускорить образование фибрилл (fibrillation) и во всех случаях тем самым снизить цитотоксичность Aβ, но как каждое из них взаимодействует с Aβ 1-42 и Aβ3(pE)-42 олигомерами, неизвестно на уровне атомного разрешения, пока же получение с высоким разрешением структур комплексов Aβ олигомер/лекарство является необходимым условием для оптимизации кинетики и термодинамики свойств связывания подающих надежды соединений (и тем самым их специфичности), прежде проверки клеточной жизнеспособности, животных, моделирующих AD и клинических испытаний. Второе горлышко заключается в том, что повторная идентификация одного и того же типа молекул, подающих надежды, воздействующих на разные белки, только загрязняют химическую литерауру. Напр., quinones, являющиеся redox cyclers, metal complexers и ковалентными модификаторами. 479. Было установлено, что curcumin из куркума, EGCG из зеленого чая и resveratrol из винограда, которые снижают агрегацию Aβ in vitro, изменяют также свойства липидного бислоя и функцию разных мембранных белков. Следовательно, эффект одного из лекарств может быть не тем, который мы ожидаем, и в этом контексте мы недавно показали, используя экспрессируемые, а затем продуцируемые Aβ1-28, Aβ1-40 и Aβ1-42 пептиды со множественными подходами и разными индикаторами, что NQTrp ингибитор осуществляет свой подавляющий эффект посредством механизмов, иных, чем непосредственные взаимодействия с Aβ пептидами (O. Berthoumieu et al., unpublished results).
Должны учитываться некоторые затруднения. Первым затруднением является то, что популяция димеров, тримеров и додекамеров (Aβ*56) варьирует в ткани головного мозга с возрастом, указывая тем самым, что подвергающиеся целенаправленному воздействию виды молекул при раннем и позднем начале не те же самые. Используя 75 индивидов с неизмененной познавательной способностью в пределах от детей до пожилых и 58 субъектов с легкими нарушениями познавательной способности, возможно с болезнью Алцгеймера, было установлено, что Aβ* 56 может играть патогенную роль очень рано в патогенезе AD.481.
Вторым затруднением является то, что эксперименты, описывают резкое ускорение образования фибрилл для Aβ1-40 пептидов при сдирающем кровотоке. 482-484 Источник подобного кинетического ускорения всё ещё дебатируется. Кроме того, поскольку атомистическое моделирование в определенном растворителе полной агрегации Aβ1-40/42 пептидов, то грубое моделирование в подразумеваемом растворителе нуждается в воздействии гидродинамических эффектов. На Рис.17 мы описали предварительные результаты ранних ступеней агрегации 18 Aβ16-22 пептидов, блокируемых с помощью acetyl и amine в условиях сдирающего кровтока, используя CG модель OPEP с гидродинамическими взаимодействиями (S. Melchionna, P. Derreumaux, and F. Sterpone, unpublished results). Ради примера моделирование было осуществлено при довольно высокой концентрации (109 mM) и в отсутствие shear rates или в присутствии высоких shear rates (108, 109 и 1010 s-1). При этом гидродинамические эффекты, ранние ступени агрегации уже были отличными от той Langevin динамики, наблюдаемой в зависимости от размера олигомеров. При высокой shear rates, мы наблюдали образование уникальных удлиненных агрегатов в течение 10 ns. В этой сильно концентрированной системе присутствие ламинарного сдирающего тока, по-видимому, не оказывалло эффекта на общю кинетику коллапса, но однако оказывало влияние на способ осуществляющейся агрегации. А именно, при увеличении скорости, возникает осцилляторное поведение в процессе агрегации. Наивысшая shear скорость также разрывала водородные мостики и контакты боковых цепочек в агрегатах; т.о., отсутствие монотоного поведения как функции гидродинамических пертурбаций ожидается для сходных процессов агрегации белков.
Третьим вызовом стало прямое наблюдение самосборки Aβ белка в живых клетках как результата эффекта скученности. Используя записи во времени неинвазивной флюоресценции и сверхразрешающей флюоресценции, исследовали образование Aβ1-40 и Aβ1- 42 агрегатов в живых клетках. Оба пептида сохранялись в лизосомах, где их накопление приводило к агрегации, но кинетика агрегации Aβ 1-42 была существенно быстрее, чем у Aβ1-40 and, и в отличие от таковой у Aβ1-40, не обнаруживалось lag фазы. Компактные амилоидные агрегаты обнаруживались для обеих аллоформ. 486 Поскольку эти эксперименты представляют одну ступень, ведущую к пониманию агрегации в клетках, методы с более высоким пространственным разрешением и методы, выясняющие, как клеточное окружение влияет на динамику Aβ1-40/ 42 и их вариантов, являются основной проблемой. Кстати, в клетках NMR белка Aβ является идеальным инструментом для получения информации на атомном уровне, но препятствия остаются.
Задачей является также определить влияние PrP и HSA на олигомеризацию Aβ. Мы недавно показали, что возможно определить динамику 18 000 HSA белков, охватывающих 80 миллионов частиц с помощью гидродинамических взаимодействий, согласующихся с экспериментальными трансляционными и ротационными константами диффузии как функции плотности системы.
Наконец, патогененые события, участвуют в дисбалансе между продукцией и очисткой Aβ пептида. Важно понять в атомных деталях, как Aβ очищается с помощью γ-secretase и как на этот процесс влияют мутации A2V и A2T. Ясно, что недавнее установление 3D структуры человеческого γ-secretase комплекса 4 .5 A490 в комбинации с моделированием на Aβ1-55 димере может помочь разрешить этот вопрос.
Поскольку многие ингибиторы разработаны к мишени, чтобы воздействовать на специфический регион Aβ, то было бы интересно изучить в клетках кумулятивные эффекты ингибиторов, предназначенные распознавать разные регионы Aβ. Было бы также интересно комбинировать разные лекарства, нацеленные на процессинг Aβ и на перевод Aβ агрегатов в более нестабильное состяние, более склонное к деградации.

Jeffrey S. Derrick, Jiwan Lee, Shin Jung C. Lee, Yujeong Kim, Eunju Nam, Hyeonwoo Tak, Juhye Kang, Misun Lee, Sun Hee Kim, Kiyoung Park, Jaeheung Cho, Mi Hee Lim. Mechanistic Insights into Tunable Metal-Mediated Hydrolysis of Amyloid-β Peptides. Journal of the American Chemical Society, 2017; 139 (6): 2234 DOI: 10.1021/jacs.6b09681




Группа исследователей под руководством Mi Hee Lim of Natural Science at UNIST разработала базирующуюся на металле субстанцию, которая работает как пара генетических ножниц для вырезания amyloid-β (Aβ), белка, характеризующего AD.
Болезнь Алцгеймера имеет 6 ведущих причин, приводящих к гибели старых людей. Точная причина болезни всё ещё неизвестна, но некоторые факторы являются предполагаемыми причинными агентами. Среди них агрегация amyloid-β пептида (Aβ) считается важным вкладчиком в образование бляшек нейритов, которые являются патологическими характеристиками болезни Алгеймера (AD).
Предлагается стратегия, которая использует базирующиеся на металле комплексы для снижения токсичности Aβ. Хотя разнообразные матллические комплексы, как полагают, являются терапевтическими для AD, ни один из них не работет эффективно in vivo .
Коллектив исследователей установил, что они могут гидролизовать amyloid-beta белки, используя кристаллическую структуру, называемую tetra-N methylated cyclam (TMC). Гидролиз является процессом, который использует молекулы воды для расщепления др. отдаленных молекул. Металлом-обеспечиваемая структура TMC использует внешнюю воду и эффективно разрезает связи amyloid-beta белка.
В данном исследовании последовательно 4 металла (кобальт, никель, медь и цинк) были помещены в центр структуры TMC. Когда double-layered кобальт был добавлен в центр, то гидролизующая активность стала наивысшей.
Исследователи сообщили, что cobalt-based metal complex (Co(II)(TMC)) обладает потенциалом проникать через гематоэнцефалический барьер, а гидролизующая активность в отношении не-амилоидного белка была низкой. Более того, эффекты этой субстанции на токсичность amyloid-beta белка наблюдалась в экспериментах с живыми клетками.
Исследование привлекло внимание как важная работав научном сообществе.