Afslører strukturen af ​​et uhåndgribeligt kvalitetskontrolenzym

Strukturen af ​​det kritiske kvalitetskontrolcheckpoint-enzym, der overvåger produktionen af ​​tusindvis af udskilte glykoproteiner, er blevet løst ved et frugtbart samarbejde hos Diamond Light Source. Studiet, for nylig udgivet i PNAS , fandt ud af, at enzymet havde overraskende fleksibilitet, der gjorde det muligt for det at tilpasse sin konformation og omslutte sine klientglykoproteiner.

Glykoproteiner er en rigelig type protein, der har sukker kendt som glykaner knyttet til dem. For at sikre, at glykoproteiner er korrekt foldet, de skal granskes af et kvalitetskontrolenzym kendt som UDP-glucose:glycoprotein glucosyltransferase (UGGT). Utroligt, enzymet har evnen til at kontrollere og detektere fejlfoldning i tusindvis af proteiner i alle forskellige former og størrelser, men mekanismen bag denne imponerende bedrift er endnu ikke afsløret. Dette vigtige enzym er blevet undersøgt i de sidste 25 år, men dens struktur har unddraget sig alle, der hidtil har arbejdet på den.

Tiltrukket af udfordringen, en fælles indsats blev gjort af akademikere ved University of Oxford og National Research Council of Italy, sammen med personale på Diamond, for endelig at bestemme strukturen og løse mysteriet om dette gådefulde enzym. Strukturen blev løst ved hjælp af Macromolecular Crystallography beamline (I04-1) og kryo-elektronmikroskopi (EM) ved det avancerede Electron Bio-Imaging Center (eBIC) begge på Diamond.

Holdet så, at UGGT havde syv underenheder i stedet for de fire, der var forventet fra sekvensen, og at det var meget fleksibelt. Disse kvaliteter ville gøre det muligt for enzymet at være meget promiskuøst, da den kunne tilpasse sin konformation til at passe til de proteiner, den kontrollerer. Disse fascinerende opdagelser kunne lette designet af nye UGGT-hæmmere, der kan hæmme foldningen af ​​vira til behandling af infektioner eller kunne frigive aktive og alligevel tilbageholdte proteiner til behandling af sjældne medfødte sygdomme.

Undvigende enzym

Glykoproteiner udgør en stor del af proteinindholdet i celler. Størstedelen af ​​udskillede proteiner er glykosylerede, og selv virus kaprer denne vej for at blive foldet korrekt for at sprede deres infektion. Den kritiske guvernør for foldekvaliteten af ​​glykoproteiner er UGGT, et 170 kDa enzym, der findes i alle eukaryoter, fra gær til fisk til fugle og pattedyr. UGGT fungerer som gatekeeper for glykoproteiner ved at markere alle, der er forkert foldet, og forhindrer deres for tidlige frigivelse fra det endoplasmatiske retikulum. Selvom UGGT er udbredt, dets struktur og funktion har unddraget forskere i 25 år. Dens spændende promiskuitet for at kontrollere tusindvis af glykoproteiner i forskellige former og størrelser har tiltrukket sig stor opmærksomhed.

Forskere fra University of Oxford, Institut for Videnskaber for Fødevareproduktion og Institut for Krystallografi ved Det Nationale Forskningsråd, Italien, sammen med et team fra eBIC hos Diamond påbegyndt en banebrydende strukturel undersøgelse for at dykke ned i UGGT's indre funktioner.

Ledende videnskabsmand for den fælles indsats og forsker ved University of Oxford, Dr. Pietro Roversi, forklarede deres motivation:"Vi ønskede at vide, hvordan UGGT kunne være ansvarlig for at kontrollere rigtigheden af ​​foldede proteiner, da de alle er så forskellige. Der er nogle meget vigtige mål for UGGT, herunder immunologiske proteiner og dem, der tilbageholdes i sjældne medfødte sygdomme."

Varmebestandig UGGT

En af grundene til, at strukturen i UGGT havde unddraget forskere så længe var på grund af dets fleksibilitet. For at overvinde denne forhindring, holdet valgte klogt at studere en form for UGGT afledt af en termofil svamp. Proteiner fra varmebestandige kilder kan ofte være mere stive, hvilket betyder, at denne type UGGT var mindre fleksibel og mere modtagelig for strukturelle analyser end dens menneskelige modstykke.

Mens krystalstrukturen blev løst af Dr. Roversi ved I04-1, et ekspertteam fra Diamond arbejdede sideløbende på eBIC for at løse cryo-EM-strukturen.

Undersøgerens hovedforsker og professor i virologi ved University of Oxford, Nicole Zitzmann forklarede deres resultater:"Vi så, at UGGT bestod af flere domæner end forventet, hvilket ikke kunne have været forudsagt ud fra sekvensen alene. Der var i alt syv domæner:et katalytisk domæne, to β-sandwich og fire thioredoxinlignende domæner. "En af de største opdagelser var den høje fleksibilitet ved UGGT, som hvis det blev nedsat forhindrede enzymet i at fungere. Det er denne fleksibilitet, der gør det muligt at låse og tilpasse sin form for at kontrollere sit store antal klientproteiner.

UGGT hæmning

Ud over at fremme vores grundlæggende viden om, hvordan dette vigtige kvalitetskontrolprotein fungerer, undersøgelsen kunne give anledning til nye UGGT-hæmmere. Det er håbet, at antagonisering af UGGT kunne gøre det muligt at behandle virale infektioner eller sjældne medfødte proteinlagringsforstyrrelser. En yderligere vigtig anvendelse kunne være at forbedre proteinekspressionssystemer i eukaryote celler, hvorved løsningen af ​​den kontrol, som UGGT udøver, kan øge udbyttet af udskillede proteiner.

Dr. Roversi beskrev de næste trin for undersøgelsen:"Vi ønsker at løse strukturen i kompleks med fejlfoldede klientglykoproteiner, men vi ønsker også at udføre grundlæggende cellulær biologi for at se, hvilke patologiske glykoproteiner proteiner UGGT har magten til at tilbageholde i det endoplasmatiske retikulum, så vi kan fastslå, hvilke sygdomme dette enzym er impliceret."