Фермент трансгидрогеназа играет центральную роль в регуляции метаболических процессов как у животных, так и у человека. Неисправность может привести к серьезным нарушениям. Структурные биологи впервые визуализировали и проанализировали атомную структуру фермента при поддержке недавно установленного в институте высококлассного криоэлектронного микроскопа..
Внутри каждой клетки энергетические центры, называемые митохондриями, постоянно расщепляют молекулы, полученные из пищи, для выработки энергии, а также для производства новых молекул, которые служат строительными блоками клеток. Уравновешивание этих двух противоположных процессов осуществляется ферментом, называемым протон-транслоцирующей трансгидрогеназой или NNT (никотинамид-нуклеотид-трансгидрогеназой). NNT находится в мембране митохондрий и использует электрохимический протонный градиент, создаваемый клеточным дыханием, чтобы обеспечить митохондрии необходимым количеством кофермента НАДФН, жизненно важного метаболического предшественника.
Правильное функционирование NNT имеет решающее значение для регуляции обмена веществ у всех животных, включая человека. Однако детали того, как NNT осуществляет скоординированный перенос протонов через мембрану и синтез NADPH, остаются неясными из-за отсутствия знаний об атомной структуре фермента. Домен Кампхут, аспирант IST Austria, и его научный руководитель и руководитель группы профессор Леонид Сазанов впервые визуализировали молекулу NNT млекопитающих в масштабе, который позволил им определить структурные принципы ферментативного воротного канала - и, таким образом, получить более глубокое понимание его функционирования (и неисправности).
"Революция резолюции" в IST Austria
Атомный анализ фермента NNT стал возможен только благодаря использованию преимуществ передовых технологий криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ), так называемой «революции разрешения». Часть данных текущего исследования была получена с использованием нового криоэлектронного микроскопа, установленного в IST Austria только осенью 2018 года, и они впервые были опубликованы с использованием одного из трех новых устройств, «300 кВ FEI Titan Krios», в Клостернойбурге.
Крио-ЭМ анализ NNT, который включал длительную и трудоемкую обработку изображений при поддержке экспертов централизованно организованного и хорошо зарекомендовавшего себя Центра электронной микроскопии в IST Austria, был выполнен с разрешением, близким к атомному. изображения трех разных доменов молекулы в различных конформационных состояниях.
Открытие ворот для протонов - и новые формы лечения
С помощью этих изображений структурные биологи могут показать, как домен, который связывает НАДФН, может открывать протонный канал с любой стороны митохондриальной мембраны. Первый автор Домен Кампхут: «NNT изучается в течение нескольких десятилетий, но классические методы визуализации, такие как рентгеновская кристаллография, не позволяют детально изучить ее структуру, потому что она очень динамична. Кроме того, мембранные белки, такие как NNT, особенно сложны. для изучения, так как они хрупкие и их трудно очистить в больших количествах, необходимых для кристаллографии. Таким образом, только с помощью крио-ЭМ мы могли, наконец, ясно увидеть, как работает перенос протона - и с этим найти недостающую часть головоломки на пути к понять, что делать, если это не сработает."
Профессор Леонид Сазанов добавляет: «Эти структуры особенно интересны, потому что трансгидрогеназа совершает удивительный поворот, поворачивая весь довольно большой НАДФН-связывающий домен на 180 градусов «вверх» или «вниз». Это, насколько нам известно, уникальный среди изученных ферментных механизмов. Однако такое вращение теперь имеет смысл с точки зрения предложенного нами механизма и показывает, как природа может «творчески» решать сложные задачи».
Результаты являются важным шагом на пути к разработке новых методов лечения. Например, разработка недоступных в настоящее время ингибиторов NNT обладает большим терапевтическим потенциалом в отношении метаболических дисфункций, включая метаболический синдром и некоторые виды рака.