Simple Science

最先端の科学をわかりやすく解説

# 生物学# 生物物理学

神経変性疾患におけるTDP-43の役割

TDP-43タンパク質の修飾が脳の健康にどう影響するかを調べてる。

― 1 分で読む


TDP-43:神経変性の鍵TDP-43:神経変性の鍵てる。TDP-43の脳の病気における役割を調べ
目次

TDP-43は体内にあるタンパク質で、RNAを管理したり結合したりするのを助けてるんだ。これは遺伝情報の処理に欠かせないやつ。普段は細胞の核や細胞質にいるけど、筋萎縮性側索硬化症(ALS)やアルツハイマー病みたいな加齢に関連する脳の病気では、TDP-43が異常な塊を作ることがある。この塊は正常な細胞機能を妨げて、病気の進行に関与することがあるんだ。

TDP-43の重要性と病気における役割

TDP-43は、いくつかの神経変性疾患との関連から、研究の重要な焦点になってる。タンパク質が誤った形になったり、不適切に蓄積したりすると、しばしば有害な影響があるんだ。誤った折り畳みは、タンパク質の構造の変化や、作られた後の化学修飾によって起こることがある。その結果、正常な細胞プロセスを妨げるタンパク質の塊ができる。このTDP-43の塊の存在は、いくつかの神経変性疾患で見られる共通の特徴だから、こういった病気のメカニズムを理解するための重要なターゲットなんだ。

タンパク質の修飾を理解する

TDP-43みたいなタンパク質は、生産された後にさまざまな修飾を受けるんだ。これらの翻訳後修飾は、タンパク質の振る舞いや安定性に影響を与える。一般的な修飾の種類には、リン酸化、ユビキチン化、切断がある。リン酸化は、タンパク質内の特定のアミノ酸にリン酸基を追加することを含んでいて、TDP-43にとって特に影響が大きいんだ。TDP-43の異常なリン酸化は病気に関連してて、特定のリン酸化部位は、タンパク質に関連するさまざまな状態の診断バイオマーカーとして使われてる。

液-液相分離

タンパク質が細胞内でどう振る舞うかの重要な側面は、液-液相分離(LLPS)って概念なんだ。これは、タンパク質や他の分子が細胞内で液体のような液滴を形成するプロセスで、細胞の構成要素を整理するのに役立つ。TDP-43は相分離を起こすことが知られていて、さまざまな細胞機能を助ける液滴を形成することができる。ただ、相分離がうまくいかないと、細胞のストレスや病気に寄与する濃密な塊ができちゃう。

TDP-43の相分離を調査する

研究者たちは、翻訳後修飾、特にリン酸化がTDP-43の相分離の挙動にどう影響するかを探求することに興味を持ってる。これらの化学変化を模倣するTDP-43の変異体を作って、これらの修飾が液滴の形成や安定性にどう影響するかを調べることができる。この理解は、神経変性疾患における異常なタンパク質の凝集がどう起こるかの洞察を提供するかもしれない。

実験アプローチ

この現象を研究するために、科学者たちはC末端リン酸模倣置換体を使った異なる形のTDP-43を用いて実験を行ったんだ。これはリン酸化を模擬するために設計されたやつ。彼らは、異なる塩濃度の条件下で、これらの修飾されたタンパク質がどう振る舞うかを観察した。塩濃度はタンパク質の相互作用や相分離に大きな影響を与えるからね。

この研究では、さまざまな塩レベルでこれらのタンパク質の溶液がどれだけ濁ったり濁り具合を測定した。濁りがあるってことは、相分離が起こってることを意味する、つまりタンパク質が液滴を形成してるってことだ。

塩濃度の影響に関する発見

実験の結果、興味深い結果が得られた。野生型のTDP-43は、塩濃度が高くなると液滴の形成がまっすぐに増加した。しかし、リン酸模倣置換体はもっと複雑な挙動を示した。低い塩濃度や中程度の塩濃度では、これらの変異体は相分離が減少したけど、高い塩濃度では相分離が増加した。この挙動は、修飾されたタンパク質が通常のタンパク質とは異なる反応を塩条件の変化に示すことを示してるんだ。

疎水性と静電的力の役割

これらの変化がなぜ起こったのかを理解するために、研究者たちはタンパク質分子間の相互作用中の力を探った。疎水性相互作用は、タンパク質の非極性部分の間で起こるもので、相分離を促進するのに重要だった。似たように、電気的相互作用もタンパク質同士の相互作用に影響を与えた。

野生型TDP-43の場合、低塩濃度では反発的な電気的力が高く、液滴形成を抑制した。リン酸模倣置換体の場合、低塩濃度では新たに導入された電荷間の引きつける電気的相互作用が支配的になって液滴形成を促進した。塩濃度が上がると、これらの電気的力が遮蔽され、疎水性相互作用が相分離をより強く促すことができた。

タンパク質相互作用の分析

科学者たちは、これらの力がどう働くかを理解するために、タンパク質内の個々のアミノ酸間の相互作用を分析した。塩濃度の変化がアミノ酸同士の力にどう影響するかを調べて、疎水性相互作用が一般的に電気的相互作用よりも強いことがわかった。

それでも、リン酸模倣置換体にある電荷を持つアミノ酸の存在が新しい相互作用を生み出し、タンパク質が液滴内でどう詰まるかを変えることがわかった。この発見は、修飾されたタンパク質の独特な相分離挙動を説明するのに役立ったんだ。

ヘリックス領域の調査

TDP-43タンパク質の特定の部位、つまり一時的なαヘリカル領域が相分離に重要だってことがわかった。このヘリカル構造は、液滴形成を促進する形でタンパク質を安定させるのに役立つ。研究者たちは、この領域がリン酸模倣置換体でも intact かどうかを調べて、それが液滴を形成する能力にとって重要だってことを発見した。この発見は、タンパク質内の構造的特徴がその振る舞いや相互作用にどう影響するかの重要性を強調してる。

病気理解への影響

この研究の結果は、TDP-43関連の病気の理解に大きな影響を持ってる。リン酸化がTDP-43の細胞内での振る舞いにどう影響するかを明らかにすることで、研究者たちは神経変性に至る条件をよりよく理解できるようになる。

これらの洞察は、TDP-43の機能を安定させる潜在的な治療法の開発や、その誤った折り畳みや凝集を防ぐことに役立つかもしれない。それは、さまざまな神経変性疾患の進行において重要な要素だからね。

結論

TDP-43とその細胞内での挙動の研究は、神経の健康における重要な結果を引き起こす分子力と修飾の複雑な相互作用を明らかにするんだ。タンパク質相分離のメカニズムや特定の修飾の役割についての研究を続けることは、TDP-43の誤った折り畳みに関連する病気の効果的な治療法を追求する上で不可欠なんだ。

これらの基本的なプロセスを理解を深めることで、加齢に関連する脳の障害の最も挑戦的な側面に対処するためのステップを踏むことができるんだ。

オリジナルソース

タイトル: Pathological C-terminal phosphomimetic substitutions alter the mechanism of liquid-liquid phase separation of TDP-43 low complexity domain

概要: C-terminally phosphorylated TAR DNA-binding protein of 43 kDa (TDP-43) marks the proteinaceous inclusions that characterize a number of age-related neurodegenerative diseases, including amyotrophic lateral sclerosis, frontotemporal lobar degeneration and Alzheimers disease. TDP-43 phosphorylation at S403/S404, and especially at S409/S410, is in fact accepted as a biomarker of proteinopathy. These residues are located within the low complexity domain (LCD), which also drives the proteins liquid-liquid phase separation (LLPS). The impact of phosphorylation at these LCD sites on phase separation of the protein is a topic of great interest, as these post-translational modifications and LLPS are both implicated in proteinopathies. Here, we employed a combination of experimental and simulation-based approaches to explore this question on a phosphomimetic model of the TDP-43 LCD. Our turbidity and fluorescence microscopy data show that Ser-to-Asp substitutions at residues S403, S404, S409 and S410 alter the LLPS behavior of TDP-43 LCD. In particular, in contrast to the unmodified protein, the phosphomimetic variants display a biphasic dependence on salt concentration. Through coarse-grained modeling, we find that this biphasic salt dependence is derived from an altered mechanism of phase separation, in which LLPS-driving short-range intermolecular hydrophobic interactions are modulated by long-range attractive electrostatic interactions. Overall, this in vitro and in silico study provides a physiochemical foundation for understanding the impact of pathologically-relevant C-terminal phosphorylation on the LLPS of the TDP-43 in a more complex cellular environment. Statement of SignificanceProteinaceous inclusions composed of phosphorylated, C-terminal TDP-43 fragments have long been recognized as hallmarks of several neurodegenerative diseases, in particular amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia. A rapidly growing number of studies indicate that these proteinopathies may be closely related to liquid-liquid phased separation (LLPS) of TDP-43, but the impact of phosphorylation on TDP-43 LLPS remains largely unexplored. In this study we used a combination of experimental methods and coarse-grained simulations to ascertain, in mechanistic terms, how phosphorylation at pathologically-critical C-terminal sites impacts liquid-liquid phase separation of the low complexity domain of TDP-43. Our results broaden our understanding of the mechanisms driving pathogenic process in these neurodegenerative diseases.

著者: Witold K Surewicz, R. Haider, B. E. Shipley, M. Hinczewski

最終更新: 2024-03-27 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.21.586202

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.21.586202.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた biorxiv に感謝します。

類似の記事