Biokemikere simulerer en proteinfoldende chaperones funktionel dans

Ved at bruge en kombination af beregnings- og eksperimentelle teknikker, et forskerhold ved University of Massachusetts Amherst ledet af molekylærbiolog Lila Gierasch har afmystificeret vejen for interdomænekommunikation i en familie af proteiner kendt som Hsp70s - et topmål for snesevis af forskningslaboratorier, der forsøger at udvikle nye anti-cancer-lægemidler, antibiotika og behandlinger mod Alzheimers og Parkinsons sygdomme.

Gierasch siger, "Denne her stillede os over for en ret videnskabelig udfordring, fordi alle de teknikker, vi normalt bruger til at se på kommunikation mellem de forskellige domæner i proteiner, sætter sig fast, når målene er fleksible og ikke stive, og interdomænelinkeren i Hsp70s er meget fleksibel. Vi skulle være kloge i vores tilgang." Detaljer er i Journal of Biological Chemistry .

Som hun forklarer, varmechokproteiner i Hsp70-familien - molekylvægt 70 - er "en virkelig vigtig klasse af molekylære chaperoner, der har mange vigtige job i cellen, herunder binding til klientproteiner for at hjælpe med at folde dem, eller for at forhindre dem i at aggregere patologisk, eller for at holde dem udfoldet, så de kan passere trådagtigt gennem en membran."

Hun beskriver de tre dele af et foldet Hsp70-protein som et nukleotidbindende domæne og et substratbindende domæne forbundet med en "mystisk" interdomænelinker, som bliver en del af strukturen, når et lille molekyle, adenosintrifosfat (ATP), binder til Hsp70. Når ATP frigiver energi til cellens brug, det ændres til adenosindiphosphat (ADP). "Du kan tænke på denne molekylære maskine som et Rube Goldberg-apparat, " bemærker hun. "Vi har vidst i årevis, at den lille linker, der forbinder de to domæner, er vigtig, og når ATP er til stede, er det en del af den kollapsede struktur med to domæner. Men med ADP til stede, domænerne bevæger sig uafhængigt. Linkerens rolle i dette tilfælde var ukendt, og stillede et puslespil, der var meget svært at finde ud af."

Stillet over for begrænsede direkte eksperimentelle metoder til at se linkerens bevægelser, Gierasch og postdoc-forsker Charles English, samarbejder med adjungeret fakultetsmedlem Woody Sherman, også CSO for Silicon Therapeutics, Boston, udførte en beregningsundersøgelse for at forstå rækken af ​​mulige linkerpositioner. De brugte en teknik kaldet molekylær dynamik, som bruger Newtons bevægelsesligninger til at simulere, hvordan atomer og molekyler bevæger sig. Dette blev hjulpet af den massive computerkraft af grafikbehandlingsenheder og det nærliggende multi-universitet Massachusetts Green High Performance Computing Center i Holyoke.

Gierasch siger Wenli Meng, en mester i nuklear magnetisk resonans (NMR) teknikker, opnåede NMR-data, der validerede simuleringerne. Linkeren er kun 12 aminosyrer lang, og Meng var i stand til direkte at udtrække linkerinformation fra blandt 636 aminosyrer. "Det var et væsentligt bidrag til vores arbejde, " bemærker hun. "Det gav os et eksperimentelt fingeraftryk til at sammenligne med, hvad computersimuleringen sagde, og vi var glade for den stramme aftale. Kombinationen af ​​NMR-data med vores simuleringer gjorde vores resultater meget stærkere. Integration af flere discipliner fremmer i høj grad biovidenskabelig forskning som denne."

Hun beretter, "Det viser sig, at når man ser nøje på denne linker, det er som et kardanled i en bil." For Gierasch, som genopbyggede en MG fra dele som kandidatstuderende, denne analogi er ikke så usandsynlig, som man skulle tro. "I drivakselmekanismen, der er stive stykker forbundet med led, og det er hvad denne linker har, tre stive stykker forbundet med fleksible hængsler. Resultatet er, at de to domæner bundet af linkeren har begrænset rotation i forhold til hinanden. Så denne proteinlinker er ikke som en nudel eller et stykke garn. Den er stiv nogle steder, men fleksibel andre, og, for at lette chaperonens korrekte funktion, den kan vride sig på måder, der letter chaperonens mekanisme, men det kan ikke gå alle vegne."

En "uventet bonus" tilføjer hun, opdager, at linkeren lavede hyppige pauser ved en lomme på det substratbindende domæne, "det giver dig et potentielt bindingssted at målrette med et lægemiddel. Vi kendte ikke til denne lille lomme før, men nu kan vi forestille os en måde at stoppe den chaperone-assisterede foldecyklus ved at designe et lille molekyle, der vil binde på det sted."

Gierasch erkender, at dette fremskridt er, af sig selv, kun et skridt i en lang proces, faktisk en hun har trænet i årtier. "Men det er sådan videnskaben fungerer, et skridt ad gangen. For hver brik af puslespillet du lægger, det tydeliggør det større billede." Hun og medforfattere skriver, at øget forståelse af interdomænelinkerens rolle, de nu har karakteriseret, "udfylder endnu et hul i at forstå, hvordan disse molekylære maskiner udfører deres utallige fysiologiske funktioner." Dette arbejde burde være nyttigt til forskning på Hsp70-mål for kræft, Alzheimers og Parkinsons sygdom og udvikling af nye antibiotika, tilføjer de.

"Ud over, tilsyneladende fleksible linkere er udbredt i signalmolekyler i biologi, og vores arbejde illustrerer vigtigheden af ​​at studere rollerne for disse tilsyneladende fleksible enheder i dybden. At afgrænse deres konformationelle landskaber vil kaste lys over, hvordan de kan videregive information fra en region af et molekyle til en anden."

Gierasch tilføjer, "Det siges, at kræftceller er absolut afhængige af Hsp70s, fordi de laver mange proteiner i store mængder, og disse chaperoner hilser hvert nysyntetiseret protein og letter deres vedtagelse af en ordentlig struktur, derfor er folk så interesserede i dem. Hvis du hæmmer dem, vil du bremse væksten af ​​kræftformer. Problemet er, at du også ville gøre nogle andre celler syge." nye antibiotika kan udvikles fra at hæmme specifikke bakterielle Hsp70'er, og fordi Hsp70'er hjælper med at beskytte celler mod proteinaggregering, at hæmme eller manipulere dem kan føre til nye behandlinger for de sjældne sygdomme, der skyldes proteinklumpning.