Слипание, слабоумие и смерть

Слипание белковых молекул друг с другом напоминает складывание паззла или детского конструктора. Только ошибка в сборке молекул белка может иметь куда более драматичные последствия.

Ученые из Барселоны нашли одну из причин болезни, которая парализовала известного астрофизика Стивена Хокинга и которая приводит к смерти большинство больных. Боковой амилотрофический склероз и ряд других болезней связан с тем, что молекулы белка собираются вместе в токсичные комплексы.

В журнале PLoS Computational Biology испанские исследователи опубликовали статью, в которой описали результаты проведенных ими расчетов. Построив математическую модель взаимодействия белковых молекул, ученые смогли продемонстрировать то, каким образом обычные белки превращаются в высокотоксичные и убивающие клетки сгустки.


Боковой амилотрофический склероз, редкое и опасное заболевание, стал широко известен благодаря самому знаменитому больному – астрофизику Стивену Хокингу.

Ученому поставили диагноз в возрасте 22 лет, и вскоре он оказался почти полностью парализован, а его речь с трудом разбирали близкие родственники. Через несколько лет Хокинг должен был умереть, но вопреки всем прогнозам он выжил и даже смог побывать в невесомости, написать несколько популярных книг, установить, что черные дыры могут испаряться и получить высшую награду США для гражданских лиц, несмотря на свое британское подданство.

Но большинство больных амилотрофическим склерозом умирают в течение нескольких лет. У них отмирают нервные клетки мозга, ответственные за движение мышц, и в итоге перестает сокращаться дыхательная мускулатура. Причем в ходе развития болезни в гибнущих клетках обнаруживаются характерные бляшки, напоминающие те, которые образуются и при других болезнях.

Подобные явления, в частности, наблюдаются при болезнях Альцгеймера и Паркинсона. При них микроскопическое исследование нервных клеток выявляет слипшиеся белковые комплексы, которые со временем приводят к гибели нейронов, а уже гибель нейронов проявляется теми или иными симптомами – от старческого слабоумия при болезни Альцгеймера до нарушения координации движений при паркинсонизме.

Если бы удалось понять то, как белки начинают слипаться вместе и почему это происходит, ряд опасных заболеваний удалось если бы не излечить, то хотя бы существенно затормозить их развитие.

Необходимо подчеркнуть: у бокового амилотрофического склероза и болезни Альцгеймера могут быть разные первопричины. Но общее место в виде формирования белковых бляшек у них есть, и именно его и исследовали молекулярные биологи.

Чтобы раскрыть в деталях процесс слипания белков, ученым пришлось использовать достижения, казалось бы, далеких от медицины наук. Прежде всего большая часть исследования проходила не с пробирками, а с компьютерными моделями, ведь рассмотреть вблизи отдельные молекулы в процессе взаимодействия не так просто, особенно если предстоит проверить множество разных вариантов.

Зная то, как устроены слипающиеся белки, ученые смогли смоделировать их соединение в группы (кластеры) под разными углами и в разных сочетаниях, а также проверили то, что будет при изменении их структуры. Затраты времени на проведение подобной работы в пробирках даже не поддаются оценкам, а вот время компьютерного эксперимента определяется только вычислительной мощностью.

Как удалось выяснить ученым, в норме белки тоже слипаются друг с другом – но парами. У каждого из них есть особая «клейкая» область, которая отличается от всех остальных тем, что к ней может присоединиться другая молекула, и в норме белки слипаются так, чтобы «клейкие» фрагменты полностью закрыли друг друга. По сути это напоминает пазл или детский конструктор: одна деталь точно совпадает с другой, и ничего лишнего сбоку не остается.

Но если в гены, кодирующие структуру этих белков, закрадется ошибка (мутация), то слипаться в пары молекулы перестанут. Точнее, они будут склеиваться неправильно: оставляя снаружи «клейкие» участки. На которые, в свою очередь, будут «прилипать» другие молекулы, и так до тех пор, пока не сформируется токсичная бляшка. Бляшка вызовет нарушение работы и гибель клетки, а гибель клеток приведет к развитию болезни.

Теперь, со знанием этого механизма, ученые могут попытаться либо восстановить нормальную форму белков, либо научиться избирательно блокировать слипание «неправильного» белка. Лекарства для этого еще предстоит разработать, но, по крайней мере, их не придется искать вслепую.