藻类产生的环境毒素可能导致ALS

2019-12-26 255藻类

计算机可以用来解释为什么环境毒素会导致神经退行性疾病吗?宾夕法尼亚州立大学医学院的研究人员称,藻类产生的环境毒素可能导致ALS,通过计算机生成的模拟,他们可以看到海水中藻华产生的毒素是如何导致ALS的。

藻类产生的环境毒素可能导致ALS

研究人员调查了一个环境毒素叫β-Methylamino-L-alanine (BMAA),其与经常食用含有高水平BMAA的食物来源的人群(包括关岛的查莫罗人,他们的ALS发病率大约是其他人群的100倍)中散发性ALS的发病率显著增加有关。

这种毒素由蓝藻(一种蓝绿色藻类)产生,可在海洋生态系统中出现。据研究人员称,BMAA在鲨鱼、贝类和底栖动物中积累,因此主要依靠这些食物来源的种群可能面临危险。

神经外科助理教授Elizabeth Proctor和药理学教授Nikolay Dokholyan用电脑调查了为什么接触这种毒素会导致ALS等疾病的发生。

根据研究人员的说法,如果BMAA成为一种名为铜锌超氧化物歧化酶(SOD1)的蛋白质的一部分,这种蛋白质可能会采用一种对神经元有毒的形式。

拥有生物信息学和计算生物学博士学位的Proctor说,这项研究可能成为研究ALS非遗传性病例的一个模型,ALS占所有诊断病例的90%。

“我们的研究结果表明,有必要进一步研究ALS患者SOD1修饰模式,”Proctor说。“如果我们能确定疾病发生和发展的分子模式,它可能有助于生活方式的发展和对零星ALS的预防干预。”

研究人员未能解释为什么BMAA会导致ALS和其他神经退行性疾病。

Proctor和Dokholyan在他们发表于《公共科学图书馆计算生物学》的研究中提出,BMAA导致SOD1蛋白折叠成一种对神经元有毒的形式。

研究内容

根据DNA编码的特定“配方”,蛋白质由20个氨基酸组成。对“成分”的轻微改变会导致蛋白质不能正常工作。Proctor说,如果有足够多的BMAA存在于正在形成SOD1的运动神经元中,它可能会被误认为是具有类似性质的氨基酸l -丝氨酸。

研究人员使用计算机模型来观察BMAA取代丝氨酸后的蛋白质,结果发现,这种取代严重地改变了蛋白质的结构和稳定性。

该研究的合著者、药理学教授Nikolay Dokholyan表示,超过150个SOD1突变与ALS有关,但这些突变带来的结构变化不足以影响该蛋白的稳定性。

与大多数正常蛋白质相比,SOD1具有更高的稳定性,”Dokholyan说,他拥有物理学博士学位。“虽然这种蛋白的许多突变都与ALS有关,但其结构的变化还不足以造成明显的不稳定。”

与BMAA竞争的氨基酸丝氨酸在SOD1的“配方”中出现了十次。研究人员使用Dokholyan开发的计算机程序,用BMAA代替丝氨酸,在这十次事件中每一次都验证了他们的理论。他们观察到BMAA的掺入对蛋白质的结构和稳定性有有害的影响,并导致其折叠或不正确地采用其形状。

研究意义

根据研究人员的说法,研究SOD1在患者中的改变模式可能有助于开发潜在的干预措施。一个可能的干预措施是对暴露于高剂量BMAA的人群补充L-丝氨酸。

虽然这项研究表明了两项ALS证据之间的联系,但Dokholyan说,许多分子因素有助于医生看到症状的表现。

藻类产生的环境毒素可能导致ALS,各种基因突变和外部因素,如BMAA暴露,都与ALS相关,”Dokholyan说。“如果我们能找出一种模式,它可能会为我们解开其他模式提供线索。”

引用

Penn State. "Environmental toxin produced by algae may lead to ALS." ScienceDaily. ScienceDaily, 17 September 2019.
www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190917115449.htm.

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