Самой распространенной молекулой в клеточных мембранах является липидный фосфатидилхолин (PC, широко известный как лецитин); соответственно, ферменты, ответственные за его синтез, необходимы. В исследовании, опубликованном 4 мая в журнале Journal of Biological Chemistry, использовалось компьютерное моделирование, чтобы понять, как один из этих ферментов активирует и останавливает производство ПК. Эти результаты могут помочь исследователям понять, почему небольшие изменения в этом ферменте могут привести к таким состояниям, как слепота и карликовость.
Розмари Корнелл, профессор молекулярной биологии и биохимии в Университете Саймона Фрейзера в Канаде, изучает фермент CTP: фосфохолинцитидилилтрансферазу, или CCT. CCT устанавливает скорость производства PC в клетках, связываясь с клеточными мембранами с низким содержанием PC. При связывании с мембранами фермент CCT меняет форму таким образом, что позволяет ему выполнять ключевую скорость-лимитирующую стадию синтеза PC. Когда количество PC, составляющих мембрану, увеличивается, CCT падает с мембраны, и производство PC прекращается.
«Мембрана - это большой макромолекулярный массив с множеством различных молекул», - сказал Корнелл. «Как этот фермент распознает: «О, я должен замедлиться, потому что содержание PC в мембране становится слишком высоким?»
Корнелл и ее проектная группа - в сотрудничестве с Питером Тилеманом и аспирантом Мохсеном Рамезанпуром из Университета Калгари, а также Джеёном Ли и Светлой Таневой, научными сотрудниками из СФУ - думали, что ответ должен быть связан с динамикой изменения формы, которые претерпевает фермент при связывании с мембраной. Но эти изменения трудно уловить с помощью традиционных методов структурной биологии, таких как рентгеновская кристаллография, которая делает статический снимок молекул. Вместо этого команда использовала вычислительное моделирование молекулярной динамики, которое использует информацию о силах между каждым отдельным атомом в молекуле для расчета траекторий движущихся частей фермента..
«Это выглядит (когда вы визуализируете результат), ваша большая молекула танцует перед вашими глазами», - сказал Корнелл. «Мы настраивали молекулярно-динамическое моделирование не один раз, не дважды, а 40 раз (раз). Потребовались месяцы и месяцы только для того, чтобы выполнить вычислительную часть, и еще больше месяцев, пытаясь проанализировать данные после этого. На самом деле мы потратили много времени. как только мы получили данные, просто глядя на эти танцующие молекулы на экране."
Смоделированный танец молекулы CCT показал, что, когда M-домен, участок фермента, который обычно связывается с мембраной, отделяется от мембраны, он захватывает активный центр фермента, предотвращая его перенос. вне его реакции. Когда зацепляющийся сегмент был удален из моделирования, команда увидела резкое изгибающее движение в месте стыковки зацепляющегося элемента и предположила, что этот изгиб создаст лучший активный сайт фермента для катализа реакции при прикреплении к мембране. Команда подтвердила эти механизмы с помощью биохимических лабораторных экспериментов.
Интересно, что предыдущие генетические исследования показали, что мутации в гене, кодирующем CCT, ответственны за редкие состояния, такие как спондилометафизарная дисплазия с колбочковой дистрофией, которая вызывает серьезные нарушения роста костей и зрения, но было неизвестно, как эти изменения в ферменте может привести к таким драматическим последствиям. Корнелл надеется, что понимание того, как работает фермент, поможет исследователям выяснить это.
"Если у вас есть только одно небольшое изменение в CCT, то как это сделает весь процесс синтеза PC дефектным?" - спрашивает Корнелл. «Это то, что мы сейчас изучаем».