Удивительное наблюдение аспиранта в фундаментальных экспериментах с небольшими связывающими молекулами, задействованными в процессе сворачивания белков, позволило биохимикам из Массачусетского университета в Амхерсте разработать первую прочную математическую основу для объяснения роли клеточных лигандов в обеспечении правильного сворачивания белков.
Как объясняет биохимик Лила Гираш, белки - это макромолекулярные механизмы, которые обеспечивают широкий спектр физиологических функций во всех организмах. Начиная с нейтральной формы лапши, эти большие молекулы вступают в сложный процесс складывания, подобный оригами, чтобы сформировать трехмерные структуры, выполняющие клеточную работу.
Но складывание - это вызов, и не всегда получается, добавляет она. Неправильно свернутые белки могут вызывать заболевания, поэтому клетки разработали стратегии контроля качества, чтобы направлять или сопровождать их. «В нынешних активных исследованиях фолдинга и неправильного фолдинга белков часто забывают о море малых молекул, в которых белки живут в клетке», - говорит она. Оказывается, маленькие молекулы или лиганды играют большую роль в определении результатов.
Новое достижение, недавно описанное в журнале Nature Chemical Biology, основано на экспериментах с лигандами, проведенных аспирантом Гираша Караном Хингорани, с математическим моделированием, проведенным Эваном Пауэрсом из Научно-исследовательского института Скриппса, Ла-Хойя, Калифорния, и другими, подтверждающими эксперименты Скотта Гармана и его аспирантов Мэтью Меткалфа и Деррика Деминга на модели лизосомной болезни накопления (ЛСД) из Университета Массачусетса в Амхерсте. Лаборатория Garman особенно хорошо разбирается в выявлении молекулярной структуры с помощью рентгеновской кристаллографии.
Каран, получивший за эту работу Байроновскую премию университетской программы по молекулярной и клеточной биологии в номинации «Лучшая диссертация года», наблюдал в экспериментах с E. coli, что, когда он добавлял маленькую молекулу, называемую триметопримом, происходило плохое свертывание вариант протеиндигидрофолатредуктазы - «весьма важно, что весь белок оказался в правильно свернутой форме».
Стало ясно, говорит Гираш, что «у этого белка есть точка принятия решения, и меньшая молекула смещает его в сторону правильной укладки. Неправильно свернутый белок E. coli отправится в мусорную яму клетки. Это «кинетическое разделение» - идея о том, что процесс подобен воде, текущей по трубе, и достигает точки принятия решения, когда он может принять одно из двух направлений».
Гарман добавляет: «Оказывается, эти лиганды, представляющие собой очень маленькие молекулы размером всего около 100 дальтон, играют решающую роль в определении поведения складывающихся макромолекул размером порядка 100 килодальтон, то есть 1, 000 раз больше. Это как мышь, говорящая слону, что делать."
Работа имеет важные последствия для разработки будущих методов лечения, основанных на фармакологических шаперонах, для лечения заболеваний, связанных с неправильным складыванием, добавляет он. «У нас было много клеточных и биологических наблюдений, но в этой статье мы берем все эти примеры и впервые кладем их на прочную математическую основу с четкой картиной того, что происходит на молекулярном уровне».
В этой работе Хингорани активно сотрудничал с Пауэрсом из Scripps, чтобы смоделировать процесс сворачивания E. coli. Гираш вспоминает: «Его наблюдение было отличным тестовым случаем для изучения того, как может действовать маленькая молекула. Когда модель была создана, предсказания очень хорошо повторяли экспериментальные данные, подтверждая подход». Чтобы обобщить открытие, она и Хингорани передали результат Гарману, чтобы тот применил его к важным с биомедицинской точки зрения системам, таким как ЛСД, которые он изучает. Известно, что фармакологические шапероны помогают белкам, связанным с ЛСД, правильно складываться и облегчают симптомы болезни.
Гиараш отмечает: «Впервые мы понимаем на молекулярном уровне, как работает фармакологический шаперон. нет количественного способа описать это». Гарман добавляет: «Вот случай, когда удивительный результат в бактериальной клетке помогает нам понять, что происходит в клетке человека. Никогда не знаешь, как открытие поднимет тебя на следующий уровень понимания».
Исследователи говорят, что эта работа иллюстрирует ценность поддержки сотрудничества между биохимиками и молекулярными биологами. Гарман говорит: «Это была работа сообщества, и я думаю, что мы все ценим то, что действительно интересные вещи возникают, когда люди из разных слоев общества и с разным опытом собираются вместе, чтобы работать над общей проблемой».
Гираш соглашается. Она добавляет, что использованный здесь комбинированный вычислительный и экспериментальный подходы «обеспечивают новое понимание характеристик фармакологических шаперонов, что сделает их наиболее эффективными в исправлении дефектов в белках, связанных с ЛСД». Долгосрочные результаты этой работы включают разработку улучшенных фармакологических шаперонов и более глубокое понимание того, как на свертывание белка в клетке влияет море малых молекул и метаболитов внутри клетки».