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3.9:

Fibrille amiloidi

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Molecular Biology
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Amyloid Fibrils

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Le proteine si ripiegano in strutture energeticamente favorevoli con i loro aminoacidi idrofobi all’interno e gli aminoacidi caricati e polari all’esterno. Alcune proteine si ripiegano facilmente da sole, ma molte sono guidate a ripiegarsi correttamente da proteine chiamate chaperones. A volte le proteine si ripiegano in forme errate, spesso indicato come proteine misfolded, che sono poi degradate dal proteasoma.La supervisione cellulare inadeguata, in caso ad esempio di chaperones o proteasoma non funzionante a causa di invecchiamento o malattia, può portare a proteine di forme anomale. Le mutazioni possono causare il dispiegamento della proteina se la forma originale della proteina diventa meno favorevole. Fattori estrinseci come cambiamenti fisici o chimici nel citoplasma forza le proteine correttamente ripiegate in nuove strutture adatte al nuovo ambiente.Qualunque sia il meccanismo, il dispiegamento può esporre brevi segmenti idrofobi di una proteina, inducendolo a diventare insolubile in acqua. Alcuni di questi segmenti idrofobi che normalmente si piegano in eliche alfa possono essere assemblati in fogli beta. Centinaia di fogli beta e proteine dispiegate o misfolded identiche formano legami idrogeno e si impilano per formare filamenti lunghi.Due pile di fogli beta vicini si associano per formare un filamento beta incrociato. in questa struttura, i singoli fogli beta restano perpendicolari rispetto all’asse centrale. Questi filamenti possono aggregarsi per formare fibrille amiloidi;l’accumulo di fibrille amiloidi è stato osservato in alcune condizioni patologiche neurodegenerative, come nell’Alzheimer e nel Parkinson.Le malattie del prione, come la malattia di Creutzfeldt-Jacob negli esseri umani e l’encefalopatia spongiforme bovina, comunemente nota come malattia della mucca pazza coinvolgono anche la formazione di fibrille amiloidi. Una particolare proteina del prione, PRP, è una proteina della membrana neurale. Le PRP non ripiegate possono convertire le PRP normali in forme anomale.Tutti le PRP assumono la struttura aberrante. Le PRP misfolded contengono i fogli beta, quindi tendono ad aggregarsi e a formare le fibrille amiloidi. Questa forma trasmissibile di formazione amiloide è associata a neurodegenerazione fatale.Tuttavia, non tutte le fibre amiloidi sono dannose. Alcuni batteri usano fibrille amiloidi sulle loro superfici per creare biofilm protettivi;inoltre, gli eucarioti costruiscono fibrille amiloidi reversibili per impacchettare e conservare le proteine secretorie di finché la cellula ha bisogno di rilasciarle. Conoscere gli amiloidi reversibili può aiutarci a sviluppare trattamenti per gli aggregati amiloidi irreversibili

3.9:

Fibrille amiloidi

Amyloid fibrils are aggregates of misfolded proteins.  Under most circumstances, misfolded proteins are either refolded by chaperone proteins or degraded by the proteasome. However, in the case of a mutation or a disease, these proteins can accumulate to form large clusters and often further assemble to form elongated fibers, called fibrils. 

Amyloid deposits were observed as early as 1639 in the liver and the spleen.   In 1854, Rudolph Virchow performed iodine staining, normally used to identify cellulose, and concluded the deposit was some type of carbohydrate. He named the deposits amyloid from the Greek word amylon and the Latin amylum for starch. Even though Friedrich and Kekule discovered the aggregates were mostly protein, only a few years later, in 1859, the misnomer continues to be used.  Originally, fibrils were thought to form only outside the cells, but more recently, amyloid has been shown to disrupt intracellular functions.

Amyloid disorders are associated with different protein aggregates. Despite the differences in the amino acid sequences and structures of the disease-causing proteins, a characteristic feature of amyloid fibers is stacked β-sheets. The formation of these insoluble fibrils from soluble proteins occurs through the production of a partially unfolded intermediate. This intermediate is thermodynamically unfavorable and rapidly progresses to a stable polymer.

Fibrils and other aggregates, like plaques, are characteristic features of diseases such as Alzheimer’s and Parkinson’s. However, the exact mechanism of neurodegeneration and whether the fibrils are the cause or a symptom is still being debated. Other diseases associated with amyloid fibrils are prion diseases, a group of fatal neurodegenerative disorders known to affect animals and humans. They are also known as transmissible spongiform encephalopathies (TSEs). These disorders can arise spontaneously via an inherited mutation and can be transmitted to others by way of infection. A typical example of prion disease is Bovine spongiform encephalopathy, also known as mad cow disease, a neurodegenerative disease in cattle. This disease can be transmitted to humans that consume the infected meat, where it is called Creutzfeldt-Jakob disease.

Suggested Reading

  1. Reynaud, E. Protein Misfolding and Degenerative Diseases. Nature Education (2010), 3(9):28
  2. Chiti F, Dobson CM. Protein Misfolding, Amyloid Formation, and Human Disease: A Summary of Progress Over the Last Decade. Annu Rev Biochem. (2017);86 27-68.
  3. Cobb, N. J., & Surewicz, W. K. (2009). Prion diseases and their biochemical mechanisms. Biochemistry, 48(12), 2574–2585. https://doi.org/10.1021/bi900108v
  4. Rambaran, R. N., & Serpell, L. C. (2008). Amyloid fibrils: abnormal protein assembly. Prion, 2(3), 112–117. https://doi.org/10.4161/pri.2.3.7488