Особенности фосфорилирования бета-амилоида при болезни Альцгеймера

Обложка
  • Авторы: Стрельникова П.А.1,2, Бугрова А.Е.1,2, Захарова Н.В.1,2, Даничкина К.В.1, Индейкина М.И.1,2, Гавриш М.С.3, Круть В.Г.4, Бабаев А.А.3, Морозова А.Ю.5,6, Кононихин А.С.1,7, Митькевич В.А.8, Макаров А.А.8, Николаев Е.Н.1
  • Учреждения:
    1. Сколковский институт науки и технологий
    2. Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН
    3. Научно-исследовательский институт нейронаук, Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
    4. Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова
    5. Национальный медицинский исследовательский центр психиатрии и наркологии имени В.П. Сербского
    6. Психиатрическая клиническая больница № 1 им. Н.А. Алексеева Департамента здравоохранения г. Москвы
    7. Институт энергетических проблем химической физики имени В.Л. Тальрозе Федерального исследовательского центра химической физики имени Н.Н. Семёнова РАН
    8. Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН
  • Выпуск: Том 16, № 3 (2024)
  • Страницы: 93-101
  • Раздел: Экспериментальные статьи
  • Дата подачи: 09.07.2024
  • Дата принятия к публикации: 16.08.2024
  • Дата публикации: 12.11.2024
  • URL: https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/27456
  • DOI: https://doi.org/10.32607/actanaturae.27456
  • ID: 27456

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Характерным признаком прогрессии болезни Альцгеймера (БА) является накопление нейротоксичных агрегатов бета-амилоидных пептидов (Аβ). Посттрансляционные модификации (ПТМ) способствуют агрегации и увеличению цитотоксичности Aβ, при этом содержание специфических протеоформ Aβ повышено в сенильных бляшках пациентов с БА. Патофизиологические механизмы формирования агрегатов и роль протеоформ Аβ требуют детального изучения как для понимания роли конкретных процессов в инициации деградации нейронов, так и для поиска эффективных превентивных методов терапевтического воздействия. В представленной работе изучена динамика накопления фосфорилированной по серину-8 протеоформы Aβ (pSer8-Aβ) у мышей линии 5xFAD, использованных в качестве модели амилоидогенеза. Также изучены образцы Aβ из спинномозговой жидкости (СМЖ) и головного мозга человека. Методом Вестерн-блотинга с использованием антител 1E4E11 и 4G8 показали, что накопление pSer8-Aβ в мозге мышей 5xFAD начинается уже в 3-месячном возрасте и достигает максимума к 14–17 месяцам, что в целом сходно с динамикой накопления общего пула пептидов Аβ. Содержание pSer8-Aβ в СМЖ человека при БА может составлять порядка 1–10% от всего количества Aβ. Масс-спектрометрический анализ показал возможность фосфорилирования Aβ в тканях мозга по остаткам Ser8, Tyr10 и Ser26, а также фосфорилирования АРР по остатку Thr719. Полученные результаты подкрепляют предположение о вовлеченности фосфопротеоформ Aβ в развитие амилоидоза при БА.

Полный текст

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БА – болезнь Альцгеймера; Аβ – бета-амилоидные пептиды; Aβ1–42 – пептид из 42 аминокислотных остатков; ПТМ – посттрансляционные модификации; pSer8-Aβ – фосфорилированная по серину-8 протеоформа Aβ; СМЖ – спинномозговая жидкость; APP – белок-предшественник амилоида; ТФЭ – твердофазная экстракция; МК – муравьиная кислота; ИП – иммунопреципитация; ПСА – персульфат аммония; БСА – бычий сывороточный альбумин; ВЭЖХ-МС – высокоэффективная жидкостная хроматография-масс-спектрометрия; PASEF – параллельное накопление и последовательная фрагментация.

ВВЕДЕНИЕ

Болезнь Альцгеймера (БА) составляет 60–80% всех случаев деменции, а риск ее развития особенно высок у людей пожилого возраста [1]. Количество пациентов с БА существенно увеличивается с каждым годом и может достичь 115 млн к 2050 г. [2]. Патогенез БА тесно связан с гомеостазом бета-амилоидных пептидов (Aβ) в мозге [3], именно амилоидные отложения являются общепризнанными маркерами БА. Несмотря на более чем 30-летнюю историю исследований [4, 5], выяснение детальных аспектов молекулярных механизмов амилоидоза не теряет своей актуальности, поскольку влияние на амилоидоз представляется наиболее очевидной стратегией в поиске эффективных средств терапевтического воздействия при БА [6–8].

Полноразмерные формы Aβ-пептидов (Aβ1–40 и Aβ1–42) имеют важные физиологические функции, которые могут отличаться в разных тканях организма, где эти пептиды образуются из различных изоформ белка-предшественника амилоида (АРР) при участии β- и γ-секретаз [9, 10]. Эти пептиды играют важную роль в регуляции ангио- и нейрогенеза, а также снижают проницаемость гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) и способствуют посттравматическому восстановлению мозга [11]. Важной особенностью Aβ-пептидов является их способность к агрегации с образованием кросс-β-структур [12]. Дисбаланс между образованием полноразмерных форм Аβ и их своевременной деградацией может способствовать образованию модифицированных протеоформ, формирующих нейротоксичные олигомеры и агрегаты [3, 13]. В частности, задержка деградации полноразмерных Аβ-пептидов ведет к накоплению усеченных протеоформ [14–17] и появлению посттрансляционных модификаций (ПТМ), которые стабилизируют агрегаты Аβ и способствуют их дальнейшему росту. Примечательно, что подавляющее большинство описанных модификаций сосредоточено в цинксвязывающем домене и относится к шести полярным аминокислотным остаткам в N-концевом участке 1–11 [17], а присутствие в амилоидных бляшках мозга характерных укороченных с N-конца пептидов согласуется с повышенной скоростью модификации этого участка [15].

В целом, pyro-Glu3, pyro-Glu11, isoAsp1 и isoAsp7 являются наиболее распространенными ПТМ Aβ-пептидов [14, 18–23], которые могут способствовать их повышенной агрегации и стабилизации сенильных бляшек при БА. В частности, оценка динамики накопления разных ПТМ в амилоидных отложениях в мозге мышей линии 5xFAD, моделирующих БА, показала, что накопление pyro-Glu3-Аβ у этих мышей начинается с самого раннего возраста и к 8 месяцам уже выходит на плато, тогда как изомеризация Asp7 в 7-месячном возрасте составляет лишь 8% и достигает своего максимума (~30%) к концу жизненного цикла, но так и не выходит на насыщение [24].

Фосфорилирование Ser8 – это еще одна ПТМ N-концевого участка Aβ, которая может играть важную роль в патогенезе БА. В частности, образование pSer8-Aβ, происходящее при участии протеинкиназ во внеклеточном пространстве и на поверхности клеток мозга [25], коррелирует с проявлением симптомов БА и затрудняет деградацию Aβ при участии инсулиндеградирующих и ангиотензинпревращающих ферментов [26]. Иммуногистохимический анализ образцов неокортекса позволил выявить взаимосвязь между фосфорилированием Aβ по Ser8 и его агрегацией в диспергируемые олигомеры, протофибриллы и фибриллы при симптоматической БА, но не на доклинической стадии [27]. При использовании синтетических полноразмерных пептидов pSer8-Aβ1-42 наблюдали стремительное образование стабильных фибриллярных агрегатов и нейротоксичных олигомеров в отсутствие ионов цинка [28, 29]. Кроме того, обнаружена возможность образования агрегатов с повышенной нейротоксичностью в результате взаимодействия pSer8-Aβ1-42 с немодифицированными Aβ1-42 [30]. Структурный ЯМР-анализ дополнительно выявил более высокую эффективность амилоидной амплификации и повышенную термодинамическую стабильность фибрилл pSer8-Aβ1-40 в сравнении с фибриллами нефосфорилированного пептида [31]. С другой стороны, как полноразмерный pSer8-Aβ1-42, так и его цинксвязывающий фрагмент pSer8-Aβ1-16 существенно снижают in vitro агрегацию Aβ, индуцированную ионами цинка [32–34], а инъекции pSer8-Aβ1-42 уменьшают образование амилоидных бляшек в гиппокампе мышей [34]. По всей видимости, возможна реализация обоих сценариев, когда pSer8-Aβ провоцирует образование фибрилл или, наоборот, препятствует металлзависимой агрегации. Реализация каждого сценария зависит от внешних факторов – наличия и концентрации ионов цинка, белков-партнеров Aβ и др. В связи с этим исследование динамики накопления pSer8-Aβ может способствовать прояснению его роли в формировании амилоидных отложений.

Оптимизация подходов, в том числе масс-спектрометрических (МС), к анализу фосфорилированных форм амилоида остается актуальной задачей [17, 35, 36]. В состав Aβ входят три потенциальных сайта фосфорилирования (Ser8, Ser26 и Tyr10), а также потенциальные сайты в смежных с Аβ областях АРР. На сегодняшний день получены данные о присутствии in vivo фосфоформ Aβ с модифицированными Ser8 и Ser26 [17, 24]. Дальнейшие МС-исследования этих форм могут привести к получению важной информации о роли путей фосфорилирования в амилоидозе, а также к пониманию роли фосфорилирования в патогенезе БА. В представленной работе методами масс-спектрометрии и Вестерн-блотинга исследованы особенности фосфорилирования Aβ по Ser8 (pSer8-Aβ) на модельных мышах 5хFAD, а также у пациента с БА.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Реагенты и Aβ-пептиды

Все химические вещества и растворители, использованные в данном исследовании, были класса ВЭЖХ. Синтетические пептиды Aβ (Aβ1-16, pSer8-Aβ1-16, Aβ1-42 и pSer8-Aβ1-42), полученные методом твердофазного синтеза и очищенные до чистоты более 99.5% с использованием ВЭЖХ (BioPeptide Inc., США), были растворены в 10% ацетонитриле до концентрации 0.5 мг/мл, поделены на аликвоты по 50 мкл и хранились при -80оC. В качестве стандартов и контрольных образцов («спайков») использовали синтетические пептиды в известной концентрации. Для контрольных образцов в качестве матрицы использовали плазму крови человека, разведенную фосфатно-солевым буфером (pH 7.4) в соотношении 1 : 50.

Мыши 5xFAD

В работе использовали линию трансгенных мышей 5xFAD (лаборатория Jackson, США, инвентарный номер 006554) [37]. Мыши этой линии имеют пять тяжелых, связанных с БА, наследственных мутаций в генах белка-предшественника амилоида (APP) человека (SweK670N, M671L, LonV717I и FloI716V) и пресенилина 1 (PSEN1) (M146L и L286V), экспрессируемых под контролем промотора Thy1 мыши. Эти мыши экспрессируют трансгенный Aβ человека на значительно более высоком уровне, чем нативный мышиный Aβ, что приводит к ускоренному ухудшению когнитивных функций мозга. Первые поведенческие нарушения проявляются в возрасте ~6 месяцев и становятся наиболее выраженными к 9 месяцам [38].

Образцы мозга мышей были предоставлены Центром генетических коллекций лабораторных животных (Институт биологии и биомедицины ННГУ им. Н.И. Лобачевского). Когорта состояла из 6 особей в возрасте 3, 8, 12, 14, 17 и 23 месяцев. Животных содержали в колонии при свободном доступе к пище и воде в помещении с контролируемой температурой +20 ± 2оС и влажностью 40–60% при 12-часовом цикле света/темноты. Эксперименты на мышах проводили в соответствии с методиками, утвержденными местным этическим комитетом и органами контроля за животными (Методические рекомендации по размещению и уходу за животными. Окружающая среда, содержание и управление, 2016).

Все мыши 5xFAD были генотипированы для подтверждения наличия всех мутаций. Для этого ДНК выделяли из части хвоста, помещали в 300 мкл лизирующего буфера (10 мМ Трис-HCl, рН 8.0, 100 мМ NaCl) с протеиназой К, инкубировали с ротацией 650 об/мин 16–20 ч при +55°С, перемешивали и центрифугировали при комнатной температуре (5 мин, 14000 об/мин). Верхнюю фракцию, содержащую ДНК, дополнительно промывали 1 раз изопропанолом и дважды 80% этанолом с последующим центрифугированием при +4°C (15 мин, 14000 об/мин). Наличие генов PSEN1 и APP человека проверяли с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) с использованием специфичных к вставкам праймеров 5′-AAT AGA GAA CGG CAG GAG CA-3′ и 5′-GCC AT G AGG GCACT AAT CAT-3′ для PSEN1 и 5′-AGG ACT GAC CACT CG ACC AG-3′ и 5′-CGG GGG T CT AGT T CT GCA T-3′ для APP [39]. Контрольными праймерами были 5′-CT A GGC CAC AGA AT T GAA AGA T CT-3′ и 5′-GT A GGT GGA AAT T CT AGC ATC C-3′.

Образцы СМЖ и мозга человека

Образец ткани мозга человека получен от 82-летнего пациента со спорадической формой БА во время аутопсии (post-mortem interval (PMI) – 15 ч). Образцы височной доли и гиппокампа были заморожены в жидком азоте для дальнейшего МС-анализа, а также зафиксированы в 10% забуференном формалине («БиоВитрум», Россия) для гистологического анализа. Для верификации диагноза были изготовлены гистологические срезы ткани головного мозга толщиной 4–5 мкм и окрашены Конго красным («БиоВитрум», Россия). Для иммуногистохимического (ИГХ) окрашивания использовали антитела к тау-белку и Aβ.

Образец СМЖ получен путем диагностической люмбальной пункции стерильной иглой от мужчины 79 лет с установленным диагнозом болезнь Альцгеймера. Объем спинномозговой жидкости составлял 1 мл. В течение 1 ч с момента забора образец центрифугировали (1500 об/мин, 15 мин), далее проводили отбор супернатанта. Образцы хранили при температуре -80оС.

Все процедуры, связанные с получением биологического материала человека, проводили в соответствии с рекомендациями Хельсинкской декларации и после получения одобрения комиссии по этике (Протокол № 1 от 25 января 2022 года Этического комитета ПКБ № 1 им. Н.А. Алексеева ДЗМ). Было получено письменное информированное согласие от пациентов.

Экстракция Aβ-пептидов из тканей мозга

Для выделения Aβ-пептидов образцы мозга гомогенизировали на льду с использованием стеклянного гомогенизатора Поттера с добавлением 4 объемов лизирующего буфера (20 мМ Трис, 2.5 мМ EDТА, 137 мМ NaCl, pH 7.6), содержащего смесь ингибиторов протеаз (Roche, Франция). После добавления муравьиной кислоты (МК) до 70% (по объему) образцы обрабатывали ультразвуком (10 мин × 2), встряхивали и центрифугировали (30000 g, 1 ч, +4°C). МК из супернатанта выпаривали с помощью вакуумного концентратора (Eppendorf, Германия). Полученные кислые экстракты хранили при температуре –80°С. Далее Aβ выделяли твердофазной экстракцией (ТФЭ), используя картриджи Oasis MCX (Waters, США), согласно протоколу производителя [40] со следующими модификациями. Кислые экстракты растворяли в смеси 8 М/2 М мочевина/тиомочевина и добавляли до 2% H3PO4. Картриджи для ТФЭ предварительно кондиционировали 1 мл метанола и уравновешивали 1 мл 4% H3PO4. Образец (2 мл) загружали в картридж ТФЭ и промывали 2 мл 4% H3PO4 и 10% ацетонитрила (ACN). Фракцию, обогащенную Aβ, элюировали 1 мл раствора ACN/H2O/NH4OH 75 : 15 : 10 (по объему), образцы упаривали до 100 мкл, используя вакуумный концентратор (Eppendorf, Германия).

Выделение Aβ-пептидов из СМЖ человека

Aβ-пептиды из СМЖ и контрольных образцов («спайков») выделяли методом иммунопреципитации (ИП) с использованием высокоспецифичных к pSer8-Aβ моноклональных антител 1Е4Е11 (Merck KGaA, Германия), а также антител 6Е10 и 1Е8 (на три порядка более чувствительных к немодифицированному Aβ) и 4G8 (с одинаковой специфичностью к обеим формам Aβ). ИП проводили в течение 3 ч при +4°С с антителами, иммобилизованными на магнитные частицы Dynabeads (Thermo Scientific) в присутствии ингибиторов протеаз. Aβ элюировали с использованием 70% ACN с добавлением 10 мМ HCl либо двукратного денатурирующего буфера для образцов для последующего электрофореза пептидов и Вестерн-блотинга.

Пептидный электрофорез и Вестерн-блотинг

Полученные после ТФЭ образцы, обогащенные фракцией Aβ, смешивали в соотношении 1 : 1 с 2× буфером для образцов для пептидного электрофореза (100 мМ Трис-HCl рН 8.8, 1% SDS, 4% бета-меркаптоэтанол, 24% глицерин, 0.02% Кумасси бриллиантовый синий) и денатурировали в течение 5 мин при ~ +90°C [41]. Пептидный электрофорез проводили в ячейках Mini-PROTEAN (Bio-Rad, США) с использованием Трис-трициновой буферной системы (25 мМ Трис, 25 мМ Трицин, 0.05% SDS) в 12% полиакриламидном геле. На 10 мл разделяющего геля добавляли 4 мл 30% раствора акриламида/бисакриламида (АА/БА, 29/1), 5 мл 2.5 М Трис-HCl рН 8.8, 6 мкл TEMED и 100 мкл 10% персульфата аммония (ПСА). Для приготовления 5 мл 4% концентрирующего геля добавляли 0.66 мл АА/БА, 0.76 мл 2.5 М Трис-HCl рН 8.8, 5 мкл TEMED и 150 мкл ПСА. Электрофорез проводили в течение 1.5–2 ч при 60 мА с хорошим охлаждением, до начала выхода фронта краски из геля. Проводили полусухой перенос на нитроцеллюлозную мембрану с размером пор 0.2 мкм в течение 1 ч при 50 мА с использованием буфера, содержащего 47.9 мМ Трис, 38.6 мМ глицин, 0.0385% SDS и 20% метанол.

Для Вестерн-блотинга мембрану блокировали в течение 30 мин в 2.5% растворе молока в 0.01 М PBS и 0.1% Tween-20 с добавлением 10 мг/мл БСА и инкубировали с первичными антителами в течение ночи. Для детекции pSer8-Aβ использовали высокоспецифичные к этой ПТМ антитела 1E4E11 (1 : 4000, Merck KGaA, Германия). Немодифицированные Aβ выявляли с помощью антител 6Е10 (1 : 8000, эпитоп 3–8, Biolegend, США), а также антитела 4G8 (1 : 4000, эпитоп 18–23, Biolegend, США), способные детектировать как мономерные, так и олигомерные формы [42]. Инкубацию со вторичными антителами (1 : 5000, IgG, конъюгированные с пероксидазой хрена, Hy-test) проводили в течение 1 ч. Результаты визуализировали с применением усиленной хемилюминесценции (enhanced chemiluminescence, ECL) с реактивами SuperSignal (Thermo Fisher Scientific, США). Изображения получали с использованием гель-документирующей системы SYNGENE G:Box (Syngene, Великобритания). Изображения обрабатывали с использованием программы GeneTools.

Хромато-масс-спектрометрический анализ (ВЭЖХ-МС)

Все образцы для проведения ВЭЖХ-МС-анализа гидролизовали протеазой Lys-C (Promega, США) с получением гидрофильных фрагментов Aβ1-16. Образцы после ТФЭ (20 мкл) смешивали (1 : 1) со 100 мМ бикарбоната аммония и 0.4 мкг Lys-C, затем инкубировали при 37°C в течение 4 ч.

Нецелевой ВЭЖХ-МС-анализ образцов-гидролизатов (Lys-C) проводили на ВЭЖХ-системе Dionex Ultimate 3000 (Thermo Fisher Scientific), соединенной с времяпролетным масс-спектрометром высокого разрешения TIMS TOF Pro (Bruker Daltonics, США), с использованием метода сбора данных с помощью параллельного накопления и последовательной фрагментации (PASEF) в режиме DDA. Настройки источника электроспрея (ESI) были следующими: напряжение на капилляре – 4500 В, потенциал смещения торцевой пластины – 500 В, расход сухого газа – 3.0 л/мин при температуре 180°С. Измерения проводили в диапазоне масса/заряд (m/z) от 100 до 1700. Диапазон подвижности ионов включал значения от 0.60 до 1.60 В·с/см2 (1/k0, где k0 – подвижность ионов). Общее время цикла установлено равным 1.16 с, а количество сканирований PASEF MS/MS – 10. Для малых количеств образцов общее время цикла установлено равным 1.88 с.

Для ВЭЖХ загруженный объем образца составлял 1 мкл на инъекцию. ВЭЖХ проводили с использованием колонки-эмиттера Ion Optics (C18, 25 см × 75 мкм, 1.6 мкм; Parkville, Австралия) методом градиентного элюирования. Подвижная фаза А содержала 0.1% муравьиной кислоты в воде; подвижная фаза В содержала 0.1% МК в ацетонитриле. Разделение проводили при расходе 400 нл/мин с использованием 40-минутного градиента от 4 до 90% фазы В.

Данные нетаргетного ВЭЖХ-МС анализировали с использованием программы PEAKS Studio 8.5 (параметры: погрешность измерения массы родительского иона – 20 мд; погрешность массы фрагмента – 0.03 Да). Окисление метионина установлено как возможная вариабельная модификация. Поиск проводили с использованием базы данных Swissprot белков человека. Пороговые значения FDR для всех этапов установлены на уровне 1% или ниже.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Динамика накопления pSer8-Aβ в мозге мышей 5xFAD

Формирование фибриллярных Aβ-структур можно обнаружить уже в мозге 2-месячных мышей линии 5xFAD [37]. Динамика накопления некоторых протеоформ Aβ, исследованных ранее, показала, что в целом накопление протеоформ Aβ коррелирует с образованием амилоидных отложений [24]. Нами проведена серия экспериментов для оценки динамики накопления pSer8-Aβ методом Вестерн-блотинга.

 

Рис. 1. Анализ динамики накопления pSer8-Aβ в сравнении с общим пулом пептидов Aβ методом Вестерн-блотинга в мозге мышей 5xFAD. А – накопление немодифицированных и pSer8-мономерных форм Aβ в мозге мыши в возрасте 12 месяцев; количество нанесенного образца соответствует 0.3 мг ткани мозга для Aβ и 1 мг ткани – для pSer8-Aβ. Б – сравнительный анализ накопления общего пула пептидов Aβ и pSer8-Aβ-форм в мозге мышей разного возраста; количество нанесенного образца соответствует 3 мг ткани мозга. В – графики, отображающие динамику накопления мономерных и олигомерных форм Aβ, по результатам обработки изображений в программе GeneTools. Г – анализ распределения интенсивности окрашивания полос в каждой дорожке при помощи GeneTools

 

Предварительно приблизительно оценили долю фосфорилированных Aβ у мыши среднего возраста (12 месяцев). С этой целью сравнивали содержание пептидов в одинаковых навесках ткани одного и того же животного с линейкой соответствующих синтетических стандартов Aβ1-42 и pSer8-Aβ1-42 (рис. 1А). Для идентификации немодифицированных Aβ использовали антитела 6E10, выявляющие преимущественно мономерные пептиды (эпитоп 3–8); для идентификации pSer8 использовали высокоспецифичные антитела 1E4E11. Полученные результаты указывают на то, что суммарное количество мономерных немодифицированных по Ser8 форм Aβ к 12 месяцам может достигать 2 нг на 1 мг ткани мозга, а доля мономерных pSer8-Aβ может быть в 10–100 раз меньше. Необходимо отметить, что Вестерн-блотинг все-таки не относится к количественным методам и позволяет проводить лишь приблизительные относительные количественные оценки. Кроме того, как общее количество Aβ, так и количество его модифицированных форм может варьироваться у разных животных [24].

Динамику накопления общего и модифицированного Aβ определяли с использованием экстрактов, полученных из препаратов мозга 3-, 8-, 14-, 17- и 23-месячных мышей (рис. 1БГ). Для минимизации технических ошибок и с учетом того, что предварительный эксперимент подтвердил возможность присутствия pSer8-Aβ в значительно меньших количествах по отношению к немодифицированным Aβ, одну и ту же мембрану последовательно проявляли сначала антителами к pSer8-Aβ (1Е4Е11) и лишь затем антителами 4G8, которые, в отличие от 6E10, совсем не конкурируют за эпитоп с 1E4E11 и проявляют все формы Aβ, не имеющие модификаций в участке 18–23 (в том числе и pSer8-Aβ), включая их олигомеры [42]. Визуальная оценка результатов Вестерн-блотинга (рис. 1Б) позволяет заключить, что пептиды pSer8-Aβ выявляются уже в 3-месячном возрасте и в мономерной форме могут достигать максимума к 14 месяцам. Результаты дополнительной оценки интенсивности полос на полученных изображениях (рис. 1В) указывают на схожесть динамики накопления pSer8-Aβ и общего пула мономерных и димерных форм Aβ, что может косвенно указывать на взаимосвязь фосфорилирования Ser8 и стимуляции олигомеризации. Тем не менее полученный результат не позволяет сделать прямых выводов о возможном присутствии pSer8-Aβ в олигомерных формах: аналогично антителам 6E10, перекрывающиеся с ними по эпитопу в N-конце антитела 1E4E11, также могут плохо идентифицировать димерные и олигомерные формы из-за сниженной доступности специфичного участка.

Дополнительный анализ распределения интенсивности окрашивания полос в каждом из образцов (рис. 1Г) еще более отчетливо подчеркнул присутствие димеров, тримеров и тетрамеров Aβ в отдельных образцах, а также выявил гетерогенность и наличие, как минимум, двух пиков в пятнах, соответствующих мономерным формам, начиная с 8-месячного возраста. Это может указывать на присутствие усеченных мономеров, наряду с полноразмерными пептидами. Примечательно, что при совмещении изображений на рис. 1Б расположение фосфорилированных форм скорее можно отнести к верхней части мономерного пятна и, в целом, пятна, соответствующие pSer8-Aβ, имеют более четкие границы по сравнению с общим пятном. Таким образом, можно предположить, что в нижней части общего пятна могут находиться пептиды, усеченные с N-конца и не содержащие участок с Ser8. Это может указывать на то, что фосфорилирование Ser8 может облегчать отщепление соответствующего N-концевого фрагмента.

Анализ pSer8-Aβ в СМЖ

Вестерн-блот-анализ Aβ из СМЖ пациента с БА выявил присутствие существенного количества pSer8-Aβ (рис. 2). Последовательное окрашивание мембраны высокоспецифичными антителами к pSer8-Aβ и антителами к немодифицированным формам позволило установить, что доля pSer8-Aβ-форм в СМЖ может составлять порядка 1–10% от немодифицированных полноразмерных форм пептида. Эта величина хорошо согласуется с результатами количественного определения доли фосфорилированных амилоидных мономеров, полученных с использованием электрохимического подхода [43].

 

Рис. 2. Оценка содержания pSer8-Aβ в СМЖ пациента с БА методом Вестерн-блотинга. Иммунопреципитацию (ИП) проводили в СМЖ пациента, а также в контрольных образцах Aβ («спайки»). Зеленые стрелки – белок-предшественник (APP), синие – мономер и димер Aβ

 

Кроме того, в образце СМЖ антитела к немодифицированной форме Aβ идентифицируют две высокомолекулярные полосы, соответствующие белку АРР (рис. 2), вероятно, его гликозилированной и негликозилированной формам.

Масс-спектрометрический анализ фосфоформ Aβ из тканей мозга

Фосфорилирование Aβ ранее не удавалось подтвердить методами масс-спектрометрии. В настоящей работе при проведении ВЭЖХ-МС-анализа образцов-фракций Aβ из тканей мозга мышей 5xFAD рассмотрена возможность фосфорилирования Ser, Thr и Tyr (рис. 3). Идентифицированы Aβ-пептиды, фосфорилированные по остаткам Ser8 и Tyr10, но строгое рассмотрение спектров фрагментации не позволило однозначно определить положение ПТМ. Кроме того, обнаружен пептид с двойным фосфорилированием. Это обстоятельство указывает на возможность фосфорилирования не только серина (Ser8), но и тирозина (Tyr10) в составе амилоида.

 

Рис. 3. Покрытие последовательностей протеоформ Aβ (отмечено серым цветом), выделенных из мозга мышей 5хFAD, с локализацией возможных посттрансляционных модификаций, включая фосфорилирование (Ser (S), Thr (T) и Tyr (Y)). А – масс-спектры столкновительной фрагментации (отмечены характерные у- и b-серии ионов-фрагментов пептида) фосфорилированного пептида Aβ16 с разной локализацией фосфогруппы: спектр для Ser8(s) – Б; спектр для Tyr10(y) – В

 

Фосфорилирование Tyr10 не было показано ранее не только МС, но и другими методами. Хотя было установлено, что в данной позиции могут происходить нитрирование и образование дитирозина, а фосфорилирование может быть промежуточной реакцией, которую сложно детектировать. Помимо Ser8 и Tyr10, некоторые спектры фрагментации указывали на возможность фосфорилирования Ser26. Тем не менее общее качество спектров, полученных для Ser8, Tyr10 и Ser26, нельзя признать достаточным для уверенных выводов, поэтому данный вопрос требует дальнейших исследований.

Кроме того, по данным ВЭЖХ-МС-анализа Aβ-пептидов из мозга человека обнаружен фосфосайт Thr (T719), фосфорилирование которого было близко к 100% и не вызывало сомнений. Этот сайт представлен в составе только удлиненных форм Aβ (Х-Т48), которые, скорее всего, являются продуктами альтернативного процессинга АРР или его деградации, не связанной с амилоидозом. Другие возможные позиции фосфорилирования в АРР – 729, 730 и 743 – не имели достоверного покрытия при МС-анализе, что не позволяет сделать каких-либо заключений. Сайт Tyr757 имел хорошее покрытие, однако его фосфорилирования не выявлено.

В целом, хотя результаты МС-анализа указывают на присутствие определенных сайтов фосфорилирования в Aβ и смежных с ним областях APP, тема продолжения МС-исследований фосфоформ Aβ остается актуальной. Решение данной задачи в существенной степени может зависеть от оптимизации процедуры выделения фосфоформ Aβ, поскольку часто используемая солюбилизация МК легко гидролизует этерифицированные фосфатные группы [20, 22]. Кроме того, определенные надежды связаны с последними достижениями в исследовании синтетических фосфоформ Aβ мeтодом MALDI-TOF и с использованием матричных добавок, минимизирующих потерю фосфатных групп в процессе ионизации, а также усиливающих ионизацию именно фосфопептидов [35, 36].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Согласно полученным результатам, накопление pSer8-Aβ-пептидов в мозге мышей линии 5xFAD схоже с динамикой накопления мономерных и димерных форм общего пула пептидов Аβ. К концу жизненного цикла суммарное количество накопленных Aβ-пептидов может достигать ~10 нг на 1 мг ткани мозга, а доля pSer8-Aβ может составлять 1–10%.

Также показано, что доля pSer8-Aβ-форм в СМЖ человека может составлять порядка 1–10% от немодифицированных полноразмерных форм Aβ. При использовании масс-спектрометрии высокого разрешения получены указания на возможность фосфорилирования Aβ по остаткам Ser8 и Ser26, а также фосфорилирования АРР по остатку Thr719. Впервые получены указания на возможность фосфорилирования Tyr10. Дальнейшая оптимизация МС-методик для эффективного анализа фосфоформ Aβ остается крайне актуальной.

 

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 19-74-30007).

×

Об авторах

П. А. Стрельникова

Сколковский институт науки и технологий; Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН

Email: a.kononikhin@skoltech.ru
Россия, Москва, 121205; Москва, 119334

А. Е. Бугрова

Сколковский институт науки и технологий; Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН

Email: a.kononikhin@skoltech.ru
Россия, Москва, 121205; Москва, 119334

Н. В. Захарова

Сколковский институт науки и технологий; Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН

Email: a.kononikhin@skoltech.ru
Россия, Москва, 121205; Москва, 119334

К. В. Даничкина

Сколковский институт науки и технологий

Email: a.kononikhin@skoltech.ru
Россия, Москва, 121205

М. И. Индейкина

Сколковский институт науки и технологий; Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН

Email: mariind@yandex.ru
Россия, Москва, 121205; Москва, 119334

М. С. Гавриш

Научно-исследовательский институт нейронаук, Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского

Email: a.kononikhin@skoltech.ru
Россия, Нижний Новгород, 603022

В. Г. Круть

Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова

Email: a.kononikhin@skoltech.ru
Россия, Москва, 117997

А. А. Бабаев

Научно-исследовательский институт нейронаук, Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского

Email: a.kononikhin@skoltech.ru
Россия, Нижний Новгород, 603022

А. Ю. Морозова

Национальный медицинский исследовательский центр психиатрии и наркологии имени В.П. Сербского; Психиатрическая клиническая больница № 1 им. Н.А. Алексеева Департамента здравоохранения г. Москвы

Email: a.kononikhin@skoltech.ru
Россия, Москва, 119034; Москва, 117152

А. С. Кононихин

Сколковский институт науки и технологий; Институт энергетических проблем химической физики имени В.Л. Тальрозе Федерального исследовательского центра химической физики имени Н.Н. Семёнова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.kononikhin@skoltech.ru
Россия, Москва, 121205; Москва, 119334

В. А. Митькевич

Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН

Email: mitkevich@eimb.ru
Россия, Москва, 119991

А. А. Макаров

Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН

Email: mitkevich@gmail.com
Россия, Москва, 119991

Е. Н. Николаев

Сколковский институт науки и технологий

Email: a.kononikhin@skoltech.ru
Россия, Москва, 121205

Список литературы

  1. Alzheimer`s Association // Alzheimer’s Dement. 2021. V. 17. № 3. P. 327–406.
  2. Prince M., Bryce R., Albanese E., Wimo A., Ribeiro W., Ferri C.P. // Alzheimer’s Dement. 2013. V. 9. № 1. P. 63–75.
  3. Wang J., Gu B.J., Masters C.L., Wang Y.J. // Nat. Rev. Neurol. 2017. V. 13. № 10. P. 612–623.
  4. Hardy J.A., Higgins G.A. // Science. 1992. V. 256. № 5054. P. 184–185.
  5. Roher A.E., Lowenson J.D., Clarke S., Woods A.S., Cotter R.J., Gowing E., Ball M.J. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1993. V. 90. № 22. P. 10836–10840.
  6. Klein W.L., Krafft G.A., Finch C.E. // Trends Neurosci. 2001. V. 24. № 4. P. 219–224.
  7. Selkoe D.J., Hardy J. // EMBO Mol. Med. 2016. V. 8. № 6. P. 595–608.
  8. Lee S.J.C., Nam E., Lee H.J., Savelieff M.G., Lim M.H. // Chem. Soc. Rev. 2017. V. 46. № 2. P. 310–323.
  9. Evin G., Zhu A., Holsinger R.M.D., Masters C.L., Li Q.X. // J. Neurosci. Res. 2003. V. 74. № 3. P. 386–392.
  10. Galozzi S., Marcus K., Barkovits K. // Expert Rev. Proteomics. 2015. V. 12. № 4. P. 343–354.
  11. Kent S.A., Spires-Jones T.L., Durrant C.S. // Acta Neuropathol. 2020. V. 140. № 4. P. 417–447.
  12. Gallardo R., Ranson N.A., Radford S.E. // Curr. Opin. Struct. Biol. 2020. V. 60. P. 7–16.
  13. Rogers J., Strohmeyer R., Kovelowski C.J., Li R. // Glia. 2002. V. 40. № 2. P. 260–269.
  14. Portelius E., Bogdanovic N., Gustavsson M.K., Volkmann I., Brinkmalm G., Zetterberg H., Winblad B., Blennow K. // Acta Neuropathol. 2010. V. 120. № 2. P. 185–193.
  15. Wildburger N.C., Esparza T.J., Leduc R.D., Fellers R.T., Thomas P.M., Cairns N.J., Kelleher N.L., Bateman R.J., Brody D.L. // Sci. Rep. 2017. V. 7. № 1. P. 1–9.
  16. Zakharova N.V., Bugrova A.E., Kononikhin A.S., Indeykina M.I., Popov I.A., Nikolaev E.N. // Expert Rev. Proteomics. 2018. V. 15. № 10. P. 773–775.
  17. Zakharova N.V., Kononikhin A.S., Indeykina M.I., Bugrova A.E., Strelnikova P., Pekov S., Kozin S.A., Popov I.A., Mitkevich V., Makarov A.A., et al. // Mass Spectrom. Rev. 2022. V. 28. P. e21775.
  18. Kummer M.P., Heneka M.T. // Alzheimer’s Res. Ther. 2014. V. 6. № 3. P. 28.
  19. Brinkmalm G., Portelius E., Öhrfelt A., Mattsson N., Persson R., Gustavsson M.K., Vite C.H., Gobom J., Månsson J.E., Nilsson J., et al. // J. Mass Spectrom. 2012. V. 47. № 5. P. 591–603.
  20. Mukherjee S., Perez K.A., Lago L.C., Klatt S., McLean C.A., Birchall I.E., Barnham K.J., Masters C.L., Roberts B.R. // Brain Commun. 2021. V. 3. № 2. fcab028.
  21. Inoue K., Hosaka D., Mochizuki N., Akatsu H., Tsutsumiuchi K., Hashizume Y., Matsukawa N., Yamamoto T., Toyo’Oka T. // Anal. Chem. 2014. V. 86. № 1. P. 797–804.
  22. Roher A.E., Kokjohn T.A., Clarke S.G., Sierks M.R., Maarouf C.L., Serrano G.E., Sabbagh M.S., Beach T.G. // Neurochem. Int. 2017. V. 110. P. 1–13.
  23. Moro M.L., Phillips A.S., Gaimster K., Paul C., Mudher A., Nicoll J.A.R., Boche D. // Acta Neuropathol. Commun. 2018. V. 6. № 1. P. 3.
  24. Bugrova A.E., Strelnikova P.A., Indeykina M.I., Kononikhin A.S., Zakharova N.V., Brzhozovskiy A.G., Barykin E.P., Pekov S.I., Gavrish M.S., Babaev A.A., et al. // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 2022. P. 27.
  25. Kumar S., Rezaei-Ghaleh N., Terwel D., Thal D.R., Richard M., Hoch M., Mc Donald J.M., Wüllner U., Glebov K., Heneka M.T., et al. // EMBO J. 2011. V. 30. № 11. P. 2255–2265.
  26. Kumar S., Singh S., Hinze D., Josten M., Sahl H.G., Siepmann M., Walter J. // J. Biol. Chem. 2012. V. 287. № 11. P. 8641–8651.
  27. Rijal Upadhaya A., Kosterin I., Kumar S., von Arnim C.A.F., Yamaguchi H., Fändrich M., Walter J., Thal D.R. // Brain. 2014. V. 137. № 3. P. 887–903.
  28. Rezaei-Ghaleh N., Amininasab M., Kumar S., Walter J., Zweckstetter M. // Nat. Commun. 2016. V. 7. P. 11359.
  29. Jamasbi E., Separovic F., Hossain M.A., Ciccotosto G.D. // Mol. Biosyst. 2017. V. 13. № 8. P. 1545–1551.
  30. Hu Z.W., Au D.F., Cruceta L., Vugmeyster L., Qiang W. // ACS Chem. Neurosci. 2020. V. 11. № 14. P. 2058–2065.
  31. Hu Z.W., Vugmeyster L., Au D.F., Ostrovsky D., Sun Y., Qiang W. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2019. V. 166. № 23. P. 11253–11258.
  32. Kulikova A.A., Tsvetkov P.O., Indeykina M.I., Popov I.A., Zhokhov S.S., Golovin A.V., Polshakov V.I., Kozin S.A., Nudler E., Makarov A.A. // Mol. Biosyst. 2014. V. 10. № 10. P. 2590–2596.
  33. Istrate A.N., Kozin S.A., Zhokhov S.S., Mantsyzov A.B., Kechko O.I., Pastore A., Makarov A.A., Polshakov V.I. // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 21734.
  34. Barykin E.P., Petrushanko I.Y., Kozin S.A., Telegin G.B., Chernov A.S., Lopina O.D., Radko S.P., Mitkevich V.A., Makarov A.A. // Front. Mol. Neurosci. 2018. V. 11. P. 302.
  35. Liepold T., Klafki H.W., Kumar S., Walter J., Wirths O., Wiltfang J., Jahn O. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2023. V. 34. № 3. P. 505–512.
  36. Kuzin A.A., Stupnikova G.S., Strelnikova P.A., Danichkina K.V., Indeykina M.I., Pekov S.I., Popov I.A. // Molecules. 2022. V. 27. № 23. P. 8406.
  37. Oakley H., Cole S.L., Logan S., Maus E., Shao P., Craft J., Guillozet-Bongaarts A., Ohno M., Disterhoft J., van Eldik L., et al. // J. Neurosci. 2006. V. 26. № 40. P. 10129–10140.
  38. Schneider F., Baldauf K., Wetzel W., Reymann K.G. // Pharmacol. Biochem. Behav. 2015. V. 128. Р. 68–77.
  39. Popugaeva E., Chernyuk D., Zhang H., Postnikova T.Y., Pats K., Fedorova E., Poroikov V., Zaitsev A.V., Bezprozvanny I. // Mol. Pharmacol. 2019. V. 95. № 4. P. 337–348.
  40. Lame M.E., Chambers E.E., Blatnik M. // Anal. Biochem. 2011. V. 419. № 2. P. 133–139.
  41. Haider S.R., Reid H.J., Sharp B.L. // Methods Mol. Biol. 2012. V. 869. P. 81–91.
  42. Hatami A., Monjazeb S., Milton S., Glabe C.G. // J. Biol. Chem. 2017. V. 50. № 2. P. 517–525.
  43. Yin Z., Wang S., Shen B., Deng C., Tu Q., Jin Y., Shen L., Jiao B., Xiang J. // Anal. Chem. 2019. V. 91. № 5. P. 3539–3545.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Анализ динамики накопления pSer8-Aβ в сравнении с общим пулом пептидов Aβ методом Вестерн-блотинга в мозге мышей 5xFAD. А – накопление немодифицированных и pSer8-мономерных форм Aβ в мозге мыши в возрасте 12 месяцев; количество нанесенного образца соответствует 0.3 мг ткани мозга для Aβ и 1 мг ткани – для pSer8-Aβ. Б – сравнительный анализ накопления общего пула пептидов Aβ и pSer8-Aβ-форм в мозге мышей разного возраста; количество нанесенного образца соответствует 3 мг ткани мозга. В – графики, отображающие динамику накопления мономерных и олигомерных форм Aβ, по результатам обработки изображений в программе GeneTools. Г – анализ распределения интенсивности окрашивания полос в каждой дорожке при помощи GeneTools

Скачать (716KB)
3. Рис. 2. Оценка содержания pSer8-Aβ в СМЖ пациента с БА методом Вестерн-блотинга. Иммунопреципитацию (ИП) проводили в СМЖ пациента, а также в контрольных образцах Aβ («спайки»). Зеленые стрелки – белок-предшественник (APP), синие – мономер и димер Aβ

Скачать (357KB)
4. Рис. 3. Покрытие последовательностей протеоформ Aβ (отмечено серым цветом), выделенных из мозга мышей 5хFAD, с локализацией возможных посттрансляционных модификаций, включая фосфорилирование (Ser (S), Thr (T) и Tyr (Y)). А – масс-спектры столкновительной фрагментации (отмечены характерные у- и b-серии ионов-фрагментов пептида) фосфорилированного пептида Aβ16 с разной локализацией фосфогруппы: спектр для Ser8(s) – Б; спектр для Tyr10(y) – В

Скачать (560KB)

© Стрельникова П.А., Бугрова А.Е., Захарова Н.В., Даничкина К.В., Индейкина М.И., Гавриш М.С., Круть В.Г., Бабаев А.А., Морозова А.Ю., Кононихин А.С., Митькевич В.А., Макаров А.А., Николаев Е.Н., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах