Kemisk proces gør, at peptid får en struktur svarende til amyloid plaques, der findes i neurodegenerative sygdomme

Peptider er biomolekyler, der dannes, når to eller flere aminosyrer, der udfører nøglefunktioner i den menneskelige organisme, såsom hormoner, neurotransmittere, smertestillende midler og antibiotika, binder sammen. Af denne grund er de meget undersøgt og brugt af f.eks. medicinalindustrien.

En undersøgelse udført af forskere ved Institut for Biofysik ved Federal University of São Paulo's Medical School (EPM-UNIFESP) i Brasilien identificerede væsentlige ændringer i de fysisk-kemiske egenskaber af peptider under en spontan proces med kemisk forandring kaldet pyroglutamination.

Pyroglutaminering er en modifikation, der skyldes spontan omdannelse af glutamin til pyroglutaminsyre, med en betydelig indvirkning på peptidernes fysiske og kemiske egenskaber. Det er en velkendt, men ofte overset del af peptidsyntesen og er sjældent udforsket i proteomik.

Forskerne, der udførte undersøgelsen, understreger, at det kan forekomme hurtigt og accelererer, når temperaturen stiger, hvilket understreger behovet for forsigtighed under laboratorieforsøg for at forhindre glutamin-cyklisering. Det er især vigtigt under forhold, der efterligner fysiologiske miljøer, hvor temperaturen er i området 37°C, den normale temperatur for en sund menneskelig organisme.

Opdagelsen har implikationer for laboratorieforskning og åbner nye perspektiver for studiet af neurodegenerative sygdomme som Alzheimers og Parkinsons, da molekylet efter kemisk modifikation erhverver en amyloid struktur, som fremmer aggregering af molekyler, og danner plaques som dem, der menes at forårsage sygdommene der er tale om.

En artikel om undersøgelsen er publiceret i Biochemistry .

Gruppen udførte in vitro-eksperimenter for at undersøge mekanismen, hvorved aminosyren glutamin (Gln) bliver til pyroglutaminsyre (Pyr) i nærværelse af et peptid eller en proteinsekvens ved den N-terminale ekstremitet. Denne proces sker gennem deamidering, en reaktion, der eliminerer ammoniak (NH₃ ). Pyr (også kaldet pyroglutamat) er en cyklisk aminosyre dannet som følge af dehydrering af glutamat. Alle proteiner består af flere aminosyrer forbundet med peptidbindinger, med variationer i antallet og rækkefølgen af ​​aminosyrer.

"Resultatet kan tjene som model for mange forskere, der arbejder med peptider. Vi nåede frem til to nøglefund. Vi vendte tilbage til et gammelt emne, som er, hvordan glutamin nedbrydes til pyroglutaminsyre, men vi indførte en advarsel om vigtigheden af ​​at analysere sekvensen Det andet punkt var, at efter omdannelse af peptidet ændres dets karakteristika, og det har en tendens til at klæbe til membraner."

"Tilstedeværelsen af ​​pyroglutaminsyre fremmer dannelsen af ​​amyloidogene aggregater, svarende til de konglomerater, der typisk findes i tilfælde af neurodegenerative sygdomme. Disse amyloide plaques dannes i hjernen og afbryder strømmen af ​​neuroner," siger Clovis Ryuichi Nakaie, sidste forfatter til artikel.

Stadier af forskningen

Modelpeptidsekvensen (QHALTSV-NH2) anvendt i undersøgelsen stammer fra Ph.D. forskning af Mariana Machado Leiva Ferreira, førsteforfatter til artiklen, mens hun ledte efter en syntese af omkring to dusin peptider til stede i sekvenserne af fem G-proteinkoblede receptorer (GPCR'er), der varierede i størrelse op til omkring 20 aminosyrer. GPCR'er fanger en bred vifte af ekstracellulære signaler (lige fra fotoner til ioner, proteiner, neurotransmittere og hormoner) og aktiverer signalveje inde i celler.

Et af peptiderne syntetiseret af Ferreira skilte sig ud for sit lave udbytte og var det eneste med glutamin ved aminekstremiteten. "Efter det første forsøg på syntese med et meget lavt udbytte, varierede vi adskillige parametre for at øge produktionen af ​​peptidet, herunder ændringer i den syntetiske del og i oprensningsprocessen, men desværre blev det altid delvist nedbrudt," sagde hun.

Da gruppen testede opløsninger, der ofte blev brugt i proteomiske eksperimenter, fandt de ud af, at glutaminomdannelse til pyroglutaminsyre fandt sted i dem alle som en funktion af tiden, i overensstemmelse med typisk førsteordens kinetik, hvor omdannelseshastigheden var proportional med den tid, det tog. ved reaktionen. De besluttede derefter ikke at agitere løsningen, så samtalehastigheden kunne udledes. For eksempel vurderede de, at efter fem timer sandsynligvis er mindst 10 % af glutaminen omdannet til pyroglutaminsyre.

En mindre strukturel ændring, der blev udløst, når det native peptid blev pyroglutamineret ved den N-terminale ekstremitet, var tilstrækkelig til at ændre molekylets fysisk-kemiske adfærd.

"Fordi det er cyklisk og har én mindre positiv ladning, burde peptidet Pyr være mere hydrofobt end det native molekyle, og vi forventede derfor, at analogen ville interagere med membranmimetiske systemer. Hvad vi ikke forudså var, at analogen ville medføre dannelse af amyloide strukturer som dem, der ses i neurodegenerative sygdomme, vi studerede ikke nogen af ​​disse, men vores resultater peger i den retning," fortalte Emerson Rodrigo da Silva, næstsidste forfatter af artiklen, til Agência FAPESP. Silva og Nakaie er de tilsvarende forfattere.

Nakaie understregede vigtigheden af ​​post-translationelle ændringer i organismen, der involverer polypeptidkæden. De spiller en rolle i den funktionelle mangfoldighed af proteiner og muliggør tilpasning af en sekvens af aminosyrer kodet af et gen til at udføre forskellige regulatoriske funktioner.

"I denne sammenhæng vil tid som faktor altid korrelere med forekomsten af ​​ændringer, uanset deres hastighed eller deres placering i vores organisme. Dette minder om ideen om det biologiske ur og er grunden til, at vi foreslog at sætte et timeglas på coveret af tidsskriftet for at symbolisere den spontane konvertering af Gln til Pyr," sagde Nakaie.

Han har været professor ved EPM-UNIFESP i 45 år og understregede det banebrydende arbejde, som gruppen i Institut for Biofysik har udført. Især, bemærkede han, introducerede de syntesen og biokemien af ​​peptider og aminosyrederivater til Brasilien.

"Vores resultater vil uden tvivl bane vejen for yderligere undersøgelser. Efter at have afsluttet det arbejde, som Mariana Ferreiras ph.d.-forskning var en del af, ønsker vi også at fortsætte med denne forskningslinje," sagde han.

Flere oplysninger: Mariana M. L. Ferreira et al., Pyroglutamination-inducerede ændringer i de fysisk-kemiske egenskaber af et CXCR4-kemokinpeptid:Kinetisk og strukturel analyse, Biokemi (2023). DOI:10.1021/acs.biochem.3c00124

Journaloplysninger: Biokemi

Leveret af FAPESP