Ученые Детской исследовательской больницы Св. Джуда выявили сложную структуру двух белков, связанных с болезнью Паркинсона, оба из которых участвуют в случаях с поздним началом. Киназа 2 повторов, богатых лейцином (LRRK2), представляет собой протеинкиназу, которая модифицирует другие белки в процессе, называемом фосфорилированием; Rab29, член семейства Rab GTPase, который регулирует клеточный трафик, модулирует активность LRRK2.

Каким образом Rab29 и LRRK2 действуют синергически, вызывая болезнь Паркинсона, остается неясным. Исследователи из Сент-Джуда определили структуры LRRK2, связанного с Rab29, раскрыв тайны регуляции LRRK2 и сделав выводы, имеющие значение для разработки лекарств.

Работа была опубликована сегодня в журнале Science.

Болезнь Паркинсона является вторым по распространенности нейродегенеративным заболеванием после болезни Альцгеймера и поражает 1-2% населения старше 65 лет. Генетическая связь с заболеванием хорошо известна: примерно в 15% случаев наблюдается семейный анамнез. Хотя существует длинный список генов, связанных с этим заболеванием, мутация LRRK2 является одной из наиболее частых причин. Из-за большого размера структурные исследования LRRK2 были громоздкими.

«Работать с этим белком чрезвычайно сложно», — сказал автор исследования Джи Сун, доктор философии кафедры структурной биологии Сент-Джуда.

Несмотря на эти трудности, Сан и его команда представили первую структуру полноформатного LRRK2 в 2021 году в Cell.

«В этой первой статье мы получили структуру LRRK2, но эта структура имела неактивную конформацию», — объяснил Сан. Белки часто имеют активную и неактивную формы, регулируемые различными клеточными сигналами. Иногда требуется связывание с другим белком, чтобы вызвать структурные изменения, которые переводят белок из неактивной формы в активную. «Итак, мы начали думать: «У нас есть одно ключевое состояние LRRK2. Можем ли мы получить его активную конформацию?»

Криоэлектронная микроскопия фиксирует активное состояние LRRK2

Поиск активной конформации не был таким простым, как добавление Rab29 к LRRK2. LRRK2 может связываться с другими молекулами LRRK2 в процессе, называемом олигомеризацией. Это может превратить один мономер LRRK2 (одна единица) в димер (две единицы) или даже в более крупные сборки. Это означало, что исследователям пришлось искать версию, которая представляла собой активную форму. Также существовала проблема, связанная с тем, что Rab29 локализуется на клеточных мембранах.

«В клетках около 90% или более LRRK2 являются цитозольными», — объяснил Сан. «Очень небольшое количество находится на поверхности мембраны и образует крупные олигомеры. И это те версии, которые активны и функциональны».

Используя криоэлектронную микроскопию , исследователи, в том числе первый автор Ханвен Чжу, доктор философии из Департамента структурной биологии Сент-Джуда, определили первые структуры комплекса Rab29-LRRK2. Сюда вошли структуры мономера (одна пара) и димера (две пары), а также неожиданного тетрамера (четыре пары).

«В этом тетрамере мы видим активную конформацию LRRK2, но в комплексах мономера и димера LRRK2 находится в неактивной конформации», — сказал Сан.

Понимание комплекса Rab29-LRRK2

Эти результаты показывают, что LRRK2 активируется не только белками, с которыми он взаимодействует, но и их пространственным расположением внутри клеток.

«Мы предлагаем переход от мономера к тетрамеру при рекрутировании мембраны», — объяснил Сан. «Внутри клетки это в основном неактивные мономеры или димеры LRRK2. Но когда Rab29 рекрутирует LRRK2 на мембрану, локальная концентрация LRRK2 увеличивается. Это затем облегчает переход в тетрамер, в котором LRRK2 становится активным».

Каковы последствия болезни Паркинсона? Эти структуры предоставляют исследователям карту атомного масштаба, позволяющую проследить, как различные мутации, вызывающие болезнь Паркинсона, влияют на функции этого комплекса.

«Все эти мутации на самом деле благоприятствуют активной конформации, то есть они обеспечивают новые взаимодействия в активной конформации или нарушают взаимодействия внутри неактивной конформации», — сказал Сан. «Эффекты мутаций можно прекрасно визуализировать в наших структурах; это очень хорошо объяснено».

Важность таких структурных исследований заключается не только в полученных знаниях, но и в их потенциальном применении для разработки лекарств. Например, исследователи также зафиксировали структуру LRRK2 в присутствии препарата DNL201. Этот препарат, прошедший первую фазу клинических испытаний, удерживает белок в активном состоянии, поэтому его использовали для подтверждения выводов о том, что тетрамер действительно является активной формой комплекса.

«Теперь у нас есть неактивная конформация и активная конформация, поэтому мы можем отслеживать переход из неактивного состояния в активное», — объяснил Сан. «Эти структуры дают химикам-медикам столь необходимую информацию для разработки новых ингибиторов против LRRK2 для лечения болезни Паркинсона».