Il modificatore dell'amiloide SERF1a interagisce con polyQ

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 767 (2023) Citare questo articolo

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L'espansione e la fibrillazione anomale delle poliglutammine (polyQ) si verificano nella malattia di Huntington (HD). Il modificatore dell'amiloide SERF migliora la formazione di amiloide, ma il meccanismo sottostante non è stato rivelato. Qui vengono esaminati l'effetto di fibrillazione e tossicità di SERF1a sull'esone Htt1. SERF1a migliora la fibrillazione e interagisce con Httex1 fuso con tioredossina mutante (Trx). Studi NMR con peptidi Htt mostrano che TrxHttex1-39Q interagisce con le regioni elicoidali in SERF1a e SERF1a interagisce preferenzialmente con i residui N-terminali 17 di Htt. L'analisi del decorso temporale mostra che SERF1a induce il mutante TrxHttex1 ad una singola conformazione arricchita di β-sheet. La co-espressione di SERF1a e Httex1-polyQ nel neuroblastoma e nell'infezione lentivirale di SERF1a nei neuroni derivati da cellule staminali polipotenti indotte da HD (iPSC) dimostra l'effetto dannoso di SERF1a nell'HD. Un livello più elevato di trascrizione o proteina SERF1a viene rilevato nelle iPSC HD, nei topi transgenici e nel plasma HD. Nel complesso, questo studio fornisce un meccanismo molecolare per SERF1a e Httex1 mutante per facilitare lo sviluppo terapeutico per la MH.

Inclusioni proteiche sono state trovate in molte malattie neurodegenerative, tra cui l'amiloide-β (Aβ) e la tau nel morbo di Alzheimer (AD), l'α-sinucleina nel morbo di Parkinson e le proteine poliglutammine (polyQ) in malattie attribuite a ripetizioni trinucleotidiche CAG espanse1. La malattia polyQ più conosciuta è la malattia di Huntington (HD), una malattia fatale autosomica dominante causata dall'espansione CAG nell'esone 1 del gene 2 dell'huntingtina (HTT). L'espansione si traduce in proteine Htt mutanti con un tratto polyQ espanso fiancheggiato da 17 aminoacidi N-terminali (NT17) e dominio poliprolinico C-terminale. Gli Htt mutanti con più di 35-40 residui di glutammina tendono a ripiegarsi male e a formare fibrille amiloidi che alla fine si depositano come inclusioni nel nucleo e nel citoplasma dei neuroni, con conseguente perdita neuronale e progressiva disfunzione cerebrale3,4,5,6. L'età d'esordio della malattia è correlata alla durata dell'espansione del trinucleotide CAG2,7. Questi pazienti presentano disturbi della coordinazione muscolare, declino cognitivo e disturbi psichiatrici. Il meccanismo patogeno sottostante è attualmente oggetto di indagini approfondite. Tuttavia, manca ancora una terapia efficace per la MH.

Le inclusioni Htt riscontrate nell'HD sono accompagnate da un aumento dello stress ossidativo e dell'apoptosi2,8. L'esone 1 Htt può assemblarsi in strutture oligomeriche sferiche9,10 che contribuiscono alla tossicità neuronale11,12. Un altro studio che ha utilizzato la proteina di fusione tioredossina-polyQ ha dimostrato che il monomero solubile del foglio β polyQ è citotossico13. Studi di cristallografia a raggi X hanno dimostrato che l'esone 1 di Htt con 17Q comprende una regione elicoidale NT17, una regione flessibile di poli17Q e una regione elicoidale di poliprolina14. Gli studi NMR hanno dimostrato che il dominio NT17 e la traccia poly17Q formano una struttura elicoidale parziale15,16. Studi biochimici e di simulazione hanno suggerito che il monomero polyQ con un'espansione della glutammina più lunga forma strutture collassate eterogenee nell'acqua17. Il monomero PolyQ è considerato il nucleo critico per la fibrillazione polyQ lunga18,19. Durante la fibrillazione, gli oligomeri Htt solubili compaiono nella fase iniziale10,20 e successivamente, polyQ procede a formare fibrille a foglio β con un nucleo β-tornante interdigitato21.

Le proteine PolyQ e i prioni ricchi di Q/N sono coinvolti in complesse transizioni strutturali per formare strutture β e generare neurotossicità22. Un ruolo essenziale della struttura a spirale per l'aggregazione è stato trovato negli interattori proteici ricchi di polyQ e Q/N, incluso l'esone 1 di Htt, e l'analisi bioinformatica ha mostrato che il 63% degli interattori Htt contiene o si prevede che contenga strutture a spirale23. Le bobine a spirale sono composte da più strutture α-elicoidali, in cui le interfacce si basano principalmente sulla ripetizione eptade dei residui. Svolgono un ruolo essenziale nelle interazioni proteina-proteina, nell'oligomerizzazione e in altre funzioni attraverso l'avvolgimento delle eliche24. È stato scoperto che le mutazioni destabilizzanti della bobina a spirale di Htt inibiscono l'aggregazione in vivo di Htt72Q e aboliscono la citotossicità indotta da Htt72Q23. Nel loro insieme, lo studio della struttura espansa del polyQ e degli interattori coinvolti nella formazione dell'amiloide potrebbe facilitare lo sviluppo del trattamento per la MH.

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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