Una ricostruzione 3-D di una fibrilla amiloide da due protofilamenti (rosso/blu) calcolata da immagini di microscopia crioelettronica. Credito:Forschungszentrum Jülich / HHU Düsseldorf / Gunnar Schröder
Un team di ricercatori provenienti da Germania e Paesi Bassi ha determinato la struttura di una fibrilla amiloide con una risoluzione precedentemente non raggiunta. Le fibrille della proteina beta amiloide (Aβ) del corpo sono il principale costituente dei depositi proteici cerebrali associati all'Alzheimer. La struttura tridimensionale a livello atomico chiarita dagli scienziati rivela aspetti precedentemente sconosciuti della crescita di depositi nocivi e l'effetto dei fattori di rischio genetici. I risultati sono stati pubblicati sulla rinomata rivista Scienza .
La struttura rivela come le tante singole molecole proteiche Aβ siano sfalsate in strati una sopra l'altra e siano disposte nei cosiddetti protofilamenti. Due di questi protofilamenti sono gemellati l'uno intorno all'altro per formare una fibrilla. Se molte di queste fibrille si impigliano, danno origine ai caratteristici depositi o placche che vengono rilevati nei tessuti cerebrali dei malati di Alzheimer.
"Questa è una pietra miliare sulla strada per una comprensione fondamentale delle strutture amiloidi e delle malattie correlate, "dice il prof. Dieter Willbold. "La struttura delle fibrille risponde a molte domande sul meccanismo di crescita delle fibrille e identifica il ruolo svolto da tutta una serie di mutazioni familiari che portano all'insorgenza precoce della malattia di Alzheimer".
La risoluzione di 4 angstrom, corrispondente a 0,4 nanometri, rientra nella grandezza tipica dei raggi atomici e delle lunghezze dei legami atomici. A differenza del lavoro precedente, il modello mostra per la prima volta l'esatta posizione e le interazioni delle proteine. Le molecole Aβ dei protofilamenti entangled non sono quindi allo stesso livello, ma come una cerniera, sono sfalsati di mezzo intervallo. Per di più, la struttura chiarisce per la prima volta la posizione e la conformazione di tutti i 42 residui di amminoacidi delle molte singole molecole proteiche Aβ.
Questa struttura dettagliata fornisce una nuova base per comprendere l'effetto strutturale di una serie di modificazioni genetiche che aumentano il rischio di sviluppare la malattia. Stabilizzano le fibrille modificando il progetto della proteina in posizioni definite. Questo spiega anche perché in natura i topi non sviluppano l'Alzheimer, e perché una piccola parte della popolazione islandese sembra essere più o meno resistente alla malattia. Le loro varianti di Aβ differiscono per tre o un residuo amminoacidico, rispettivamente, che sono apparentemente importanti per la stabilità delle fibrille.
Diversità metodologica al più alto livello tecnologico
A differenza delle placche tipiche della malattia scoperta da Alois Alzheimer più di 100 anni fa, la struttura delle fibrille ora scoperta non può essere osservata direttamente al microscopio ottico. Ci è voluto più di un anno per analizzare i dati ottenuti dagli scienziati utilizzando la struttura di microscopia crioelettronica dell'Università di Maastricht. Inoltre, le misurazioni che utilizzano la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) allo stato solido e gli esperimenti di diffrazione dei raggi X hanno contribuito a integrare e supportare completamente l'immagine della struttura delle fibrille ea convalidare i dati ottenuti.
"Le singole immagini nella microscopia crioelettronica sono solitamente estremamente rumorose poiché le proteine sono molto sensibili alla radiazione elettronica e le immagini possono essere generate solo con un'intensità di radiazione molto bassa, " spiega Jun.-Prof. Gunnar Schröder. Utilizzando una procedura assistita da computer, ha combinato migliaia di singole immagini e quindi ha estratto da esse dati strutturali ad alta risoluzione.
"Questo è un passaggio che può essere molto complicato se il campione è costituito da fibrille di forma diversa. In passato, questo è stato quasi sempre il caso delle fibrille amiloidi e ha rappresentato uno dei maggiori ostacoli per l'analisi. Però, ora avevamo un esemplare abbastanza unico con fibrille molto omogenee:il 90% di esse aveva la stessa forma e simmetria, " dice Schroder.
Il dottor Lothar Gremer è riuscito a produrre il campione di fibrilla. "Il passaggio cruciale è stato quello di ritardare notevolmente la crescita delle fibrille nel campione, da poche ore a diverse settimane. In tal modo, le singole molecole di Aβ hanno avuto abbastanza tempo per disporsi in fibrille omogenee in modo molto uniforme e altamente ordinato, "dice Gremer, che ha avviato e coordinato lo studio.
Una sezione trasversale attraverso la fibrilla che illustra la disposizione sovrapposta graduale delle proteine Aβ Credito:Forschungszentrum Jülich / HHU Düsseldorf / Gunnar Schröder
Le indagini sul campione di fibrille mediante spettroscopia di risonanza magnetica nucleare allo stato solido hanno fornito dati aggiuntivi per costruire il modello e hanno contribuito a convalidare la struttura. "L'NMR ci ha permesso di ottenere informazioni aggiuntive come quali residui di amminoacidi formano ponti salini migliorando così la stabilità delle fibrille, " spiega il prof. Henrike Heise. Gli esperimenti di diffrazione dei raggi X supervisionati dal prof. Jörg Labahn presso il Center for Structural Systems Biology di Amburgo hanno inoltre confermato i risultati.
La microscopia crioelettronica è un metodo di ricerca relativamente nuovo per determinare la struttura delle molecole proteiche. Nel passato, gli scienziati hanno utilizzato principalmente la cristallografia a raggi X e la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare. Nel 2015, La criomicroscopia elettronica è stata eletta metodo di ricerca dell'anno dalla rivista Metodi della natura . Con il metodo consolidato della cristallografia a raggi X, le proteine devono prima essere convertite in una forma cristallina, considerando che con la microscopia crioelettronica e anche con la spettroscopia NMR, i mattoni delle proteine possono essere studiati nel loro stato naturale. Nel caso della microscopia crioelettronica, i campioni vengono prima dissolti in acqua, poi flash congelato, e infine indagato con un microscopio elettronico. Questo metodo ha particolari vantaggi quando si tratta di studiare grandi strutture composte da centinaia o migliaia di proteine.
La creazione di una struttura per la microscopia crioelettronica ad alta risoluzione potrebbe offrire agli scienziati di Jülich l'opportunità di studiare le molecole biologiche. Oltre alla ricerca di base, Anche l'Istituto di sistemi complessi di Jülich (ICS-6) sta sviluppando una nuova strategia di trattamento con un proprio farmaco candidato.
