_ Întrebări și răspunsuri: Cercetările vizualizează un mecanism precis pentru modul în care celulele își sortează gunoiul

De zeci de ani a fost o întrebare deschisă în domeniul cercetării ubiquitinei cum proteinele sunt etichetate ca fiind defecte sau inutile. Într-un studiu recent, Brenda Schulman, Director la Institutul Max Planck (MPI) de Biochimie, și Gary Kleiger, Președintele Departamentului de Chimie și Biochimie de la Universitatea din Las Vegas Nevada, împreună cu echipele lor au reușit să vizualizeze acest mecanism precis, catalizat de Cullin-RING Ligase E3s, pentru prima dată.

Într-un interviu, Brenda Schulman a explicat ce i-a condus la descoperirile lor, precum și modul în care aceste cunoștințe pot fi utilizate pentru a ajuta la tratarea bolilor. Rezultatele studiului lor sunt publicate în revista Nature Structural & Molecular Biology.

Cullin-RING-ligazes (CRL) sunt nanomașini complexe care sunt cruciale pentru sistemele complexe de eliminare și reciclare ale celulei. CRL-urile etichetează proteinele defecte, toxice sau superflue cu unități repetate ale unei mici proteine ​​numite ubiquitină, formând un lanț de ubiquitine într-un proces numit etichetare cu poli-ubiquitină.

Procedând astfel, CRL-urile marchează proteina ca „ să fie degradate” şi să prevină acumularea toxică a proteinelor inutile. Când acest proces eșuează, gunoiul celular se poate acumula. Deci, mutațiile sau disfuncționalitățile care afectează CRL sunt adesea asociate cu boli, cum ar fi tulburările de dezvoltare sau cancerele. Datorită funcțiilor lor cheie în menținerea bunăstării celulelor noastre, este de o importanță fundamentală să definim și să înțelegem mecanismele lor moleculare.

Printr-o metodă numită criomicroscopie electronică sau, pe scurt, crio-EM, acum este posibil să se vizualizeze unele dintre cele mai mici structuri ale vieții, cum ar fi CRL-urile, oferind astfel o perspectivă cheie asupra stărilor lor funcționale.

Ubiquitina este o proteină fascinantă, mai ales având în vedere dimensiunea sa mică în comparație cu majoritatea altor proteine. . Numele său provine de la „omniprezent”, care înseamnă găsit peste tot. Într-adevăr, acum știm că ubiquitina este aproape peste tot - în plante, ciuperci, insecte, animale și oameni. Și chiar dacă bacteriile și virușii nu produc ubiquitina, ne deturnează ubiquitina pentru a promova infecțiile.

Acțiunea ubiquitinei este controlată de un sistem de sute de mașini moleculare diferite, numite ligaze E3, care dictează unde și când ubiquitina. este atașat la coșul de gunoi al celulei. Deoarece ubiquitina este în esență omniprezentă, ligazele E3 joacă un rol important în pornirea și oprirea majorității proceselor celulare.

Studiarea ubiquitinei de peste 25 de ani este ca și cum ai fi un detectiv maestru într-o serie de mistere de lungă durată, în special deoarece ligazele E3 trage în esență declanșatorul pentru eliminarea altor proteine.

După ce rezolvăm un mister, există întotdeauna altul cu provocări și mai mari. Iar tehnologiile din setul nostru de instrumente criminalistice – de exemplu, CRISPR, biologia chimică și cryo-EM, pentru a numi câteva – au devenit mult mai sofisticate. Așa că rămâne atât o aventură palpitantă, cât și împlinitoare să rezolv aceste mistere împreună cu colegii mei.

Permiteți-mi să menționez că această muncă este cu adevărat îmbucurătoare, deoarece aceasta a fost un mister de zeci de ani și este una pe care mi-am propus-o. de rezolvat când am început primul meu grup independent acum 23 de ani.

Colaboratorul nostru, Gary Kleiger, de la Universitatea Nevada, Las Vegas, a arătat că un CRL alege ținta pentru etichetare, o menține pe loc în timp ce atașând poli-ubiquitin și apoi eliberează ținta, astfel încât CRL-ul să poată eticheta apoi o altă țintă pentru distrugere, totul în milisecunde. De fapt, această eficiență vertiginoasă explică de ce până acum nu a fost posibil să se fotografieze acest proces - este prea rapid pentru a captura folosind tehnicile disponibile. A trebuit să dezvoltăm o metodă complet nouă pentru a vizualiza modul în care CRL-urile etichetează proteinele pentru distrugere.

Am dezvoltat un instrument chimic astfel încât, atunci când CRL începe să eticheteze o proteină cu poli-ubiquitină, substanța chimică acționează ca o capcană, oprind CRL în momentul cheie în care eticheta poli-ubiquitină este atașată. la proteină. Acest lucru ne-a permis să vizualizăm complexul printr-o metodă de biologie structurală numită cryo-EM.

Văzand toate componentele moleculare reunite a condus la descoperirea mecanismului de etichetare a poli-ubiquitinei catalizat de CRL. Apoi, colaboratorul nostru de lungă durată Gary Kleiger și laboratorul său au dezvoltat un nou test pentru a valida modelul, care a monitorizat aceste reacții în milisecunde — primul punct de timp pe care îl detectează este 1/400 de secundă!

Mulțumită pentru capcana noastră chimică am obținut o varietate de instantanee diferite ale CRL-urilor „în acțiune”. Acestea au informat cum funcționează etichetarea poli-ubiquitină atât asupra proteinelor care apar în mod natural în celule, cât și asupra uneia atunci când se aplică o moleculă asemănătoare unui medicament, MZ1. MZ1 declanșează eliminarea unei proteine ​​asociate cancerului. Toate acestea ne-au arătat o mulțime de fapte interesante, dar există trei constatări principale.

Prima a fost revelarea mecanismului real de reacție al etichetării poli-ubiquitinei. Instantaneele noastre structurale au arătat toate componentele moleculare în sinergie pentru o cataliză ultra-rapidă și specifică. Într-adevăr, viteza și specificitatea sunt caracteristicile distinctive ale enzimelor! Aceasta este o întrebare în domeniu de peste 30 de ani și suntem încântați să fim primii care arătăm mecanismul acestei reacții șocant de rapidă, critică.

A doua observație cheie a venit din compararea noilor date pentru munca noastră publicată anterior despre modul în care CRL-urile execută un alt pas, mai devreme, în etichetarea proteinelor pentru eliminare. Acest pas anterior implică plasarea inițială a unei ubiquitine, noul studiu arată cum se face eticheta poli-ubiquitinei care conține mai multe ubiquitine. Părți esențiale ale mașinii moleculare CRL sunt rearanjate drastic în timpul proceselor anterioare și din urmă.

Poate că cea mai importantă a fost descoperirea noastră că aceste caracteristici au fost observate pentru toate CRL-urile pe care le-am examinat etichetând proteinele cu etichete poli-ubiquitină, sugerând că mecanismul nostru se poate aplica la suita de CRL-uri din celulele noastre.

În primul rând, acesta este un salt mare în domeniul ubiquitinei care schimbă modul în care ne gândim la un sistem celular omniprezent. Acum știm că toate părțile mașinii de etichetare cu poli-ubiquitină trebuie să se asocieze într-un mod specific pentru ca reacția să funcționeze cu o viteză fulgerătoare și o specificitate rafinată.

În al doilea rând, studiul nostru are implicații pentru cele emergente. domeniu de dezvoltare a medicamentelor numit degradarea proteinelor vizate (TPD). Majoritatea eforturilor TPD folosesc molecule mici pentru a recruta proteine ​​care cauzează boli la CRL. Acest lucru duce la etichetarea poli-ubiquitinei și în cele din urmă la eliminarea proteinei care cauzează boli. Noile date indică constrângeri moleculare și geometrice pentru utilizarea CRL-urilor pentru TPD, pe care le-am arătat pentru una dintre moleculele de degradare de pionierat, MZ1.

Acest domeniu este foarte interesant și a fost, de asemenea, o imprimare complementară privind țintirea CRL prin MZ1. postat pe bioRxiv de laboratorul lui Alessio Ciulli, care a dezvoltat MZ1. Descoperirile noastre ar putea ajuta la dezvoltarea de noi medicamente TPD și la înțelegerea modului în care funcționează în celulele bolnave.

(Fluierul)