Forskare som arbetar för att förstå biokemin av kataraktbildning har gjort ett överraskande fynd:Ett protein som länge troddes vara inert har faktiskt en viktig kemisk funktion som skyddar ögats lins från kataraktbildning.

Linsen består av celler packade med strukturella proteiner som kallas kristalliner. Kristalliner i varje linscell bildar en proteintät gel, och gelens optiska egenskaper – som dess genomskinlighet och hur den bryter ljus – hjälper till att fokusera ljuset på näthinnan.

Men när kristallina proteiner klumpar ihop sig, de är inte längre så genomskinliga. Om tillräckligt med proteiner går från deras vanliga vattenlösliga, tätt packad organisation till klumpiga aggregat, de börjar sprida inkommande ljus, bildar grumliga avlagringar som kallas grå starr.

Enligt Harvard postdoktor Eugene Serebryany, huvudförfattare på en ny studie i Journal of Biological Chemistry , forskare trodde länge att kristallina proteiner var kemiskt inerta. Det är, förutom att aggregeras som en individ åldras, proteinerna ansågs inte interagera mycket med andra proteiner. Serebryany sa, "Detta var modellen:(crystallins) verkliga funktion är att förbli monomer och transparent och undvika aggregering så länge som möjligt."

När han var doktorand vid MIT, Serebryany använde en mutant form av linsproteinet gamma-kristallin för att efterlikna UV-skador på proteinet. När man studerar hur den mutationen leder till att kristallin aggregerar till klumpar, Serebryany fann något överraskande:mutanten var mer sannolikt att aggregera om vildtyp, eller oskadad, protein var också närvarande.

Harvardprofessor Eugene Shakhnovich, som samarbetade med Serebryany och hans examensrådgivare, Jonathan King, om tidigare studier, beskrev fyndet som "ett ganska slående fenomen" och förklarade:"Om du hade dessa skadade proteiner i ett provrör, de skulle inte samlas på ett tag. Om du hade vildtypsproteinet, det skulle inte samlas för alltid. Men då, när du blandar de två, du ser snabb och brant aggregering."

Med andra ord, den hälsosamma versionen av ett protein som alla trodde var inert gjorde på något sätt att en lätt skadad version blev mycket värre – och snabbt.

När Serebryany tog examen, Shakhnovich anlitade honom för att fortsätta arbeta för att förstå hur ett förment inaktivt protein kan orsaka denna effekt. Serebryany sa, "Det första jag var tvungen att göra var i princip att försöka få experimenten från mitt doktorandlabb att fungera i det här (nya) labbet."

"De är bara två hållplatser från varandra på tunnelbanan!" Shakhnovich skämtade.

Men, av någon anledning, Serebryany hade problem med att replikera resultaten. "Det är en annan plats, det är en annan uppsättning instrument, en något annorlunda uppsättning procedurer. Du ser vart det här tar vägen, sade han. Helt plötsligt, experiment som tidigare var mycket reproducerbara gav stor variation."

Verkligen, i Harvard-labbet orsakade ibland vildtypskristallin mutantkristallin att aggregera, och ibland gjorde det inte det. Forskarna var mystifierade.

Serebryany sa, "Självklart, om det plötsligt uppstår variation, det finns en dold variabel som vi inte såg tidigare." Han satte upp en serie experiment för att försöka hitta den variabeln.

En nära jämförelse av molekylvikterna för vildtypsproteinet som fick mutanten att klumpa ihop sig och proteinet som inte avslöjade en skillnad motsvarande vikten av två väteatomer. Detta gav forskarna en antydan om att redoxtillståndet - om två svavelatomer i en proteinmolekyl var bundna till varandra istället för till väteatomer - kan göra skillnad.

"Genom att utföra isotopiskt upplösta masspektrometriexperiment, vi fick mer än vi hade räknat med, ", förklarade Serebryany. "Inte bara förvärvade den aggregationsbenägna mutanten en intern disulfidbindning per molekyl under aggregationsreaktionen, men det aggregeringsfrämjande vildtypsproteinet förlorade samtidigt sin disulfid."

Genom att mutera de svavelhaltiga cysteinaminosyraresterna en efter en till icke-svavelinnehållande rester, Serebryany fann att två cysteinaminosyror nära varandra på ytan av gamma-d-kristallin fungerade som en slags switch. När de två band, skapar en struktur som kallas en disulfidbindning, kristallin verkade kunna driva skadade andra molekyler mot aggregering. När de två cysteinerna inte var bundna, var och en tog istället en väteatom, förklarar proteinets lilla förändring i massa. Under det villkoret, vildtypskristallin var inert.

Men hur kunde en bindning mellan aminosyror på ytan av detta protein få det att driva andra proteiner att aggregera?

Använda biofysiska och biokemiska tekniker, teamet fann att även om disulfidbindningen bildas lätt, det introducerar också stam i proteinets struktur. Detta gjorde att varje proteinmolekyl troligen passerade längs disulfidbindningen till en närliggande molekyl av proteinet, får två protoner i gengäld. På så sätt kunde disulfidbindningen ständigt föras runt bland kristallina proteinmolekyler. Författarna jämförde processen med att skicka en varm potatis.

Med tanke på en hel befolkning av friska, oskadade kristallina proteiner, denna process kan pågå i all oändlighet. Men om ett protein redan var lite skadat, författarna visade, den fångade den varma potatisen med en annan uppsättning cysteiner, som inte kunde föra det vidare. Detta fick det skadade proteinet att klumpa ihop sig. Författarnas tidigare arbete avslöjade att mutationer som efterliknar skador orsakade av UV förändrade proteinets stabilitet, gör det mer diskett, och därför mer benägna att få den konformation som exponerar nya cysteiner som kan fånga den heta potatisen.

Detta hjälper oss att förstå kataraktbildning. Enligt Shakhnovich, teamet arbetar med peptidbehandlingar som kan hindra den "heta potatisen" från att nå skadade proteiner. Serebryany hoppas att sådana peptider "faktiskt skulle kunna suga upp några av dessa disulfider och fördröja den tid det tar att bilda de mer aggregationsbenägna arterna." Det kan leda till långsammare kataraktbildning för patienter.