Работа опубликована в Communications Biology. Глаукома широко распространена: в мире живут десятки миллионов людей с таким диагнозом. Известны различные формы заболевания, но подавляющее большинство случаев — это открытоугольная глаукома, названная так из-за открытого угла между радужкой и роговицей. Пространство между радужкой и роговицей при этом механически открыто (в отличие от закрытоугольной глаукомы).
Развитие глаукомы связано с повышением внутриглазного давления из-за того, что отток жидкости из стекловидного тела происходит медленнее, чем образование новой. Это приводит к сужению поля зрения, потере его остроты и нарушению кровоснабжения сетчатки и зрительного нерва, который проводит сигнал от глаза к мозгу. В результате чувствительные нервные клетки, необходимые для нормального зрения, начинают погибать быстрее.
Нейродегенеративные заболевания являются сложным объектом для изучения из-за запутанных механизмов развития, и их лечение все еще неэффективно. Чтобы исправить ситуацию, необходимо лучше понимать патогенез болезней. Так, недавние исследования на животных показали, что развитие глаукомы связано с выделением цинка внутри сетчатки.
Цинк — ключевой микроэлемент, который важен для нервной системы и напрямую участвует в передаче нервного импульса от нейрона к нейрону. В то же время повышенная концентрация цинка в межклеточной среде сетчатки оказывает токсический эффект.
Авторы работы поставили целью понять метаболизм цинка при развитии глаукомы. Они показали, что концентрация металла в глазах пациентов действительно увеличивается: в стекловидном теле она повышается в 2–15 раз. Впервые отмечено, что содержание цинка зависит от стадии глаукомы, а рост его концентрации отмечен уже на ранних этапах болезни. Это время, когда нарушения зрения еще не так заметны, и человек обычно игнорирует симптомы и не обращается к врачу.
Чтобы найти белки, на которые оказывает влияние внеклеточный цинк, авторы работы сосредоточились на протеоме — совокупности взаимодействующих белков сетчатки.
После анализа на первый план вышел белок PEDF (pigment epithelium-derived factor, фактор из пигментного эпителия сетчатки). Он играет важную роль в работе сетчатки, выполняя противоопухолевые и нейротрофические функции. Его способность связывать цинк, меняя свое олигомерное состояние, охарактеризовали с помощью биофизических методов. В том числе рентгеноструктурного анализа — он позволил получить структуру PEDF в связанном с цинком состоянии с разрешением в два ангстрема.
Исследователи предположили, что при недостатке кровообращения и, как следствие, кислорода (то есть ишемии) связывающие цинк белки в клетках сетчатки выпускают его наружу. Ионы цинка с помощью мембранных переносчиков переходят в межклеточную среду, а также попадают в нее при гибели клеток. В результате содержание металла вне клеток быстро растет.
Помимо этого, при окислительном стрессе (избытке активных форм кислорода АФК) ионы цинка высвобождаются из комплексов со связывающими их хелаторами. Исследования на животных показывают, что повреждение зрительного нерва приводит к тому же итогу.
Авторы заключают, что внеклеточный цинк действительно играет ключевую роль в развитии глаукомы. Она опосредована действием на белковый фактор PEDF и, как следствие, узнающий его рецептор PEDF-R. Все это открывает перспективы качественно нового лечения распространенной и тяжелой патологии сетчатки.
«С помощью трех синхротронов нами получены две кристаллографические структуры связанного с цинком PEDF. Мы определили пять типов сайтов связывания цинка, которые вовлекают две или три молекулы белка. Такая олигомеризация практически не влияет на вторичную и третичную структуру, однако пространственно блокирует все сайты взаимодействия сигнального белка PEDF с партнерами. Нарушаются нейротрофная и антиангиогенная функции, становится невозможным связывание коллагена», — поделился Анатолий Белоусов, младший научный сотрудник лаборатории структуры и динамики биомолекул Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
В работе принимали участие исследователи из НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского, Центр исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ, Российского университета дружбы народов, Института физики Сан-Карлоса (Бразилия), Института биологического приборостроения РАН (Пущино), Национального медицинского исследовательского центра глазных болезней им. Гельмгольца, Института нейрофизиологии (Франция), МГУ им. М. В. Ломоносова, Первого Московского государственного медицинского университета им. И. М. Сеченова, Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина и А. В. Овчинникова РАН и Филиала института в Пущино, Московской государственной академии ветеринарной медицины и биотехнологии им. Г. И. Скрябина, Объединенного института ядерных исследований, Шанхайского технического университета (Китай) и Бразильского центра исследований в области энергетики и материалов.