Спермин препятствует формированию амилоидных фибрилл

Нейродегенеративные заболевания, такие как болезни Альцгеймера и Паркинсона, характеризуются накоплением амилоидных белков тау и α-синуклеина, которые склонны образовывать токсичные фибриллы, но перед этим могут формировать биомолекулярные конденсаты через разделение фаз на границе жидкость-жидкость (liquid-liquid phase separation, LLPS). Судьба этих конденсатов — останутся ли они жидкими и доступными для деградации или перейдут в твердое агрегированное состояние — напрямую влияет на прогрессирование болезни.

Полиамин спермин привлек внимание ученых как эндогенный регулятор старения, аутофагии и протеостаза. У него есть потенциал влиять на структуру и поведение амилоидогенных белков, но механизмы его действия на тау и α-синуклеин оставались неясными. Ученые из Швейцарии, США и Швеции исследовали изменения конформации, фазового поведения и клеточной деградации тау и α-синуклеина под действием спермина, от молекулярного уровня до фенотипов in vivo на нематоде C. elegans. Авторы показывают, что спермин действует как молекулярный «клей», повышая склонность белков к образованию жидких конденсатов, увеличивая подвижность и облегчая их дальнейшее разрушение через аутофагию.

Исследования in vitro показали, что добавление спермина вызывает образование жидких капель тау и α-синуклеина при физиологическом pH, усиливая LLPS, ускоряя формирование конденсатов и делая их значительно более подвижными. В то же время фрагмент тау К18 на спермин не реагирует, что подчеркивает важность распределения зарядов по всей длине полноразмерного тау. Конденсаты тау и α-синуклеина, индуцированные спермином, оказываются устойчивее к 1,6-гександиолу, а формирование амилоидных фибрилл обоих белков оказывается подавленным, что указывает на смещение равновесия в сторону жидкого состояния.

Авторы выявили два разных сценария взаимодействия со спермином. Тау сначала быстро компактизируется, а затем расширяется в более развернутую конформацию, что отражает сложные перестройки электростатических взаимодействий по всей цепи. α-синуклеин же постепенно «раздувается» без стадии сжатия, что согласуется с более локализованным взаимодействием спермина преимущественно с его кислотным C-концом. NMR подтверждает диффузный характер контактов спермина с тау и более специфичные контакты с α-синуклеином. Молекулярное моделирование поддерживает эти выводы, демонстрируя, что у α-синуклеина спермин снижает отрицательный заряд C-конца и тем самым облегчает межмолекулярные контакты, необходимые для LLPS, тогда как у тау нейтрализация распределенных отрицательных зарядов уменьшает внутримолекулярные притяжения и способствует расширению цепи и фазовому разделению.

Эксперименты in vivo на C. elegans подтвердили биологическое значение этих изменений. У животных, экспрессирующих α-синуклеин-YFP, с возрастом количество конденсатов резко растет, они переходят в малоподвижное твердое состояние. Спермин существенно снижает их накопление, а конденсаты сохраняют жидкие свойства даже на поздних этапах жизни. При подавлении эндогенного синтеза спермина количество конденсатов увеличивается, тогда как добавленный извне спермин его снова уменьшает, что подтверждает роль полиамина в контроле агрегирования α-синуклеина.

Далее авторы показали, что снижение уровня конденсатов под действием спермина зависит от работы ранних элементов аутофагии. Это указывает на то, что спермин облегчает расширение автофагосомы и захват динамичных α-синуклеин-конденсатов до их перехода в твердое агрегированное состояние.

Наконец, терапевтические тесты на нематодах с моделями болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона показали, что спермин дозозависимо увеличивает продолжительность жизни, улучшает двигательные функции и восстанавливает митохондриальную работу, снижая уровень АФК и патологическое повышение кальция. Это демонстрирует функциональную значимость перехода амилоидных белков в жидкое состояние и их ускоренной деградации.

Таким образом, работа показывает, что спермин является универсальным регулятором поведения амилоидогенных белков тау и α-синуклеина. Он повышает подвижность конденсатов, препятствует их фибриллизации и делает их доступными для ранних этапов аутофагии. В результате уменьшается токсичное накопление α-синуклеина in vivo, улучшаются двигательные функции и продлевается жизнь нематод, моделирующих процессы нейродегенерации. Таким образом, модуляция LLPS посредством полиаминов может быть перспективной стратегией терапии, направленной на ранние, обратимые стадии патологии, предшествующие необратимому формированию амилоидных агрегатов.

RING-Bait разбирает агрегаты тау-белка и улучшает двигательную функцию у мышей с таупатией