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协作的研究团队从多伦多大学的工程和密歇根大学的重新设计了一种天然酶,已经证明能够促进神经再生神经损伤模型,提高其活性和稳定性。
神经胶质疤痕形成:神经再生的障碍
中枢神经系统(CNS),身体的“加工中心”,包括大脑和脊髓。它负责整合传入的感官信息和指挥大部分身体机能。
中枢神经系统的神经损伤会导致各种各样的疾病,如中风,或通过物理损伤,脊髓损伤(SCI)是一个常见的例子,影响约 12000人 在美国每年。独自一人。
神经损伤的症状可以证明极其虚弱的病人根据损伤的程度。SCI患者具体地说,现代医学的进步,如新型抗生素治疗潜在感染的发展,意味着病人 生活更长时间 。尽管如此,全球超过2700万SCI患者禁用。1因此,探索方法修复神经损伤和促进神经再生是神经科学的一个重要课题,有重要临床意义。
本研究空间中的一个主要障碍是神经胶质疤痕post-nerve损伤的形成。
什么是神经胶质疤痕?
中枢神经系统损伤引发一连串的应激反应,最终导致星形胶质细胞的激活,一个“明星”状的胶质细胞,并伴随着生产的细胞因子,趋化因子,神经营养因子和生长因子。星形胶质细胞的质膜扩展创建一个web旨在填补这一空白,损害已经发生。这个过程会导致细胞外基质的改变环境的伤害,还有分泌的分子包括硫酸软骨素(CS)和硫酸dermatin (DS)蛋白聚糖。2神经胶质疤痕有善意:它旨在保护网站神经损伤发生后立即和创建一个受伤组织和健康组织之间的墙。但最终,疤痕的形成抑制神经再生和阻碍患者的恢复。
Chondroitinase ABC促进神经恢复在动物模型
因此,神经胶质疤痕一直神经再生研究的主要焦点在过去的几十年里。酶被称为chondroitinase ABC或ChABC,源自于细菌变形杆菌属寻常的一直在探索作为中枢神经系统神经损伤的潜在的治疗选择。3酶作用的侧链降解硫酸软骨素蛋白聚糖(CSPGs),这消除了再生抑制神经胶质疤痕的特点在各种神经损伤模型,包括老鼠、猫、狗和神经损伤的恒河猴模型。今年早些时候发表的一份评论格里芬和布拉德克指出:“最终,切除CSPGs已经被证明是持续有利的近20年来,我们预计接下来的步骤对临床翻译CSPG靶向疗法。”4
不幸的是,应用程序中的一个挑战ChABC治疗神经损伤是它不是很稳定。“这是足够稳定的环境细菌生活在,但体内非常脆弱,”教授说莫莉Shoichet Shoichet实验室的多伦多大学的一个 新闻稿 。“这聚集,或聚集在一起,使其失去活性。这是更快的比在室温下。也很难提供chondroitinase ABC,因为它是容易受到化学降解和剪切力通常用于配方。”
重新设计的工作性质
Shoichet发表的一项研究的资深作者 科学的进步 探讨了影响计算重组酶的诱导氨基酸变化来创建一个更稳定的版本。5
“就像任何蛋白质,chondroitinase ABC是由称为氨基酸的积木,“Shoichet 说 。“我们使用计算化学预测的影响交换了一些积木对另一些人来说,一个目标的增加总体稳定的同时保持或提高酶的活动。”
从酶ChABC x射线晶体结构,该团队使用维修一站式服务(普罗斯)的蛋白质预测稳定突变。
这产生了大量的数据,需要缩小。“有超过1000个链接链中形成这种酶,并为每个链接你有20种氨基酸可供选择,”O ' meara马修教授说,在计算医学教授,在密歇根大学生物信息学。O ' meara,论文的联合作者,补充说:“有太多的选择来模拟他们。”
团队的灵感来自大自然,探索在现实存在的氨基酸替换生物。这个过程被称为共识设计;它依赖于想法,这些突变形式的自然ChABC实际上并不存在,但极有可能是类似于突变体形式存在。
更大的活性和稳定性
最终,研究人员发现了三个新的候选人ChABC他们表达的形式大肠杆菌和评估他们对c和d基质酶活性。只有一种形式,ChABC-37-SH3,证明高初始酶活性这两个c和d比野生型酶,而ChABC-55-SH3和chabc - 92 sh3证明显著降低活动。所有三个突变形式比野生型更稳定。
“野生型chondroitinase ABC失去了它的大部分活动在24小时内,而七天的重组酶活跃,”玛丽安Hettiaratchi,论文的另一位联席作者, 说 。在论文中,作者指出,这突出了一个限制普罗斯的方法:“这表明,普罗斯成功地预测蛋白质结构稳定性增加,这种方法的一个限制是它不能可靠地预测酶活性。”
研究人员指出的 新闻稿 他们的下一步将是探索这种酶的使用在类似的实验中,野生型蛋白曾被采用。在讨论中,他们强调普罗斯在优化治疗的效用代理:“在更广泛的层面上,与第一个演示使用普罗斯优化治疗代理,如ChABC,我们强调这种方法的通用性和开放的其他人使用这种方法优化其他特别敏感的蛋白质的稳定性和活动”。
引用:
1。
杨T,戴Y,陈G和崔解剖胶质疤痕的双重角色和scar-forming星形胶质细胞在脊髓损伤。前面。细胞。>。2020;14 (1662 - 5102):10.3389 / fncel.2020.00078。
2。陈他刘X Y, z胶质疤承诺目标改善中枢神经系统损伤后的结果。分子神经科学杂志》上。2020,70 (3):340 - 352。doi: 10.1007 / s12031 - 019 - 01417 - 6。
3所示。Mahajan r . Chondroitinase ABC酶:脊髓损伤的潜在的治疗选择。Int J:基本医疗Res。2018;8 (4):203。doi: 10.4103 / ijabmr.IJABMR_336_18。
4所示。格里芬JM,布拉德克f .治疗脊髓损伤的修复:组合方法来解决多方面的问题。地中海EMBO摩尔。2020;12 (3):e11505。doi: 10.15252 / emmm.201911505。
5。O ' meara O ' meara Hettiaratchi MH,乔丹,TR,皮克林AJ, Letko-Khait N, Shoichet再造工程生物催化剂女士:计算chondroitinase ABC的设计提高了有效性和稳定性。Sci睡觉。2020;6 (34):eabc6378。doi: 10.1126 / sciadv.abc6378。
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