Мутации, приводящие к снижению активности триптофангидроксилазы 2 – основного фермента, участвующего в синтезе нейромедиатора серотонина, могут быть причиной ряда тяжелых наследственных психических расстройств. Исследователи из лаборатории фармакогенетики депрессий ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» изучают, какие области в структуре измененного фермента необходимо модифицировать для восстановления его нормальной функции. Для выявления этих областей ученые применяют соли железа и марганца. Первоначальные результаты исследования были опубликованы в научных журналах «Бюллетень экспериментальной биологии и медицины» и Neurochemical Journal.
Некоторые серьезные наследственные заболевания, включая психические расстройства, возникают из-за мутаций, которые влияют на правильное расположение белковых молекул в пространстве (фолдинг). Эти изменения приводят к нестабильности молекул, уменьшают продолжительность их существования и, соответственно, снижают их функциональную активность. Применение фармакологических шаперонов – небольших молекул, способных взаимодействовать с аномальными белками, корректировать их структуру и восстанавливать их функции – представляется одним из многообещающих подходов к лечению подобных заболеваний.
Ученые из ФИЦ ИЦиГ СО РАН впервые установили, что ионы железа и марганца могут увеличивать стабильность триптофангидроксилазы 2 – важного фермента, участвующего в синтезе серотонина в мозге млекопитающих. В настоящее время, благодаря поддержке РНФ, активно изучается молекулярный механизм шаперонной активности этих ионов. Исследователи полагают, что железо и марганец вряд ли будут использованы непосредственно для лечения психических расстройств, возникающих из-за мутаций в гене триптофангидроксилазы 2, однако они могут помочь определить участки в молекуле этого белка, которые могут стать целями для фармакологических шаперонов.
Выбор триптофангидроксилазы 2 обусловлен тем, что специалисты лаборатории фармакогенетики депрессий ФИЦ ИЦиГ СО РАН обладают ведущим мировым опытом в ее исследовании, а также известно о наличии мутаций, влияющих на ее пространственную структуру и приводящих к снижению активности.
«Мутации, уменьшающие функциональную активность белков, вовлеченных в нейрокоммуникацию, способны вызывать различные эффекты: в редких случаях это приводит к полному исключению активного белка (нокауту), а чаще – к замене аминокислот, что нарушает его пространственную структуру. В результате такой белок имеет меньший срок службы и быстрее разрушается, что приводит к постоянной его нехватке в организме. Ученые ищут соединения, способные взаимодействовать с мутантной молекулой и восстанавливать ее пространственную структуру. Общие принципы взаимодействия таких соединений с белками до сих пор остаются невыясненными, — поясняет руководитель лаборатории фармакогенетики депрессий ФИЦ ИЦиГ СО РАН, доктор биологических наук Александр Викторович Куликов.
В заключение 2023 года ученые из ФИЦ ИЦиГ СО РАН впервые продемонстрировали в лабораторных условиях, что ионы железа могут стабилизировать молекулу триптофангидроксилазы 2. Исследователи высказали мнение, что регулярное поступление ионов железа в живой организм может усиливать активность данного фермента в мозге. Для проверки этой гипотезы были использованы рыбы Danio rerio: в течение нескольких недель в воду аквариума добавлялись соли железа. Однако, к сожалению, выяснилось, что эти соединения обладают высокой токсичностью для рыб.
Изучение шаперонной активности ионов двухвалентного марганца оказалось случайным открытием: биологи стремились воссоздать модель болезни Паркинсона у рыб, помещая их на длительный период в воду с хлоридом марганца. Воссоздать симптомы паркинсонизма не удалось, однако было установлено, что длительное воздействие высоких концентраций ионов марганца повышает активность триптофангидроксилаз в мозге рыб. Также было показано, что ионы марганца и железа способны стабилизировать молекулу этого фермента в лабораторных условиях.
«Это не подразумевает, что тяжелые психопатологии, спровоцированные дефицитом триптофангидроксилазы 2, можно устранить с помощью ионов железа и марганца. Несмотря на то, что железо жизненно важно для организма, его избыток может быть токсичным. Также стоит учитывать, что ионы железа плохо проникают в мозг. Тем не менее, с помощью ионов железа и марганца можно определить, какие области белка являются целями для шаперонов, и как их воздействие способно стабилизировать структуру белка. Мы ищем эти области, чтобы увеличить продолжительность жизни фермента, создав для него некие «подпорки» или «заменители»», — подчеркивает Александр Куликов.
Перед учеными стоит задача более детального изучения молекулярных механизмов, определяющих шаперонную активность ионов марганца и железа. В рамках исследования планируется использовать рекомбинантные белки, а также создать компьютерную модель, демонстрирующую, как ионы железа и марганца стабилизируют молекулу триптофангидроксилазы 2.
«Известно множество ингибиторов триптофангидроксилазы (и других ферментов), однако на сегодняшний день не существует лекарственных средств, способных восстановить сниженную мутацией активность фермента. Если нам удастся прояснить принципы действия фармакологических шаперонов и определить, какие участки поврежденного фермента необходимо воздействовать для коррекции его активности, это станет важным шагом в изучении наследственных заболеваний, включая психические расстройства. Тогда в будущем появится возможность разрабатывать безопасные фармакологические соединения, способные восстанавливать активность фермента. По словам младшего научного сотрудника сектора генетических коллекций нейропатологий ФИЦ ИЦиГ СО РАН Валентины Сергеевны Евсюковой, первые результаты ожидаются уже после опытов с рекомбинантными белками, и, возможно, они будут доступны к концу текущего года. «Я считаю, что решение этой задачи вполне возможно, мы работаем в этом направлении», — отметила она.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда под номером 24-15-00078.
Данный материал создан при финансовой поддержке гранта Министерства науки и инноваций Российской Федерации в рамках проведения Десятилетия науки и технологий.