Hatchet enzym, muliggør sygdom og sundhed, eksponeret af neutronstråler

Gemt væk inde i cellemembraner, en molekylær slagter gør bud på raske celler, men også af sygdomsmidler. Det har fungeret ude af klarsyn, men forskere har netop kastet et mægtigt spotlight på det.

Slagteren er et almindeligt enzym kaldet presenilin, som hakker lange proteinbyggesten ned til brugbare kortere længder. Det ligger i membranrum, der undgår let eksperimentel påvisning, men i en ny undersøgelse, forskere ved Georgia Institute of Technology og Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har belyst presenilin ved hjælp af en neutronstråle produceret af verdens mest kraftfulde forskningsatomreaktor.

"En tredjedel af vores genom går til arbejde for at kode for intramembranproteiner, " sagde Raquel Lieberman, en lektor ved Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry. "Nogle af dem er enorme og laver super kompleks biokemi."

Især enzymet presenilin er en intramembranprotease. Der er fire klasser af disse, og de er nødvendige, blandt andet, til:Advarsel til og forsvar mod smittefarere, og celledifferentiering og udvikling.

Hvis de to sidstnævnte går galt, der kan føre til kræft.

Kornet neutron-mugshot

Nu, forskerne har fået et billedligt billede af et intramembranprotein, presenilinet. Teknisk set, forskerne arbejdede med en presenilin-fætter fundet i mikrober - M. marisnigri intramembrane aspartyl protease eller MmIAP - men her vil vi bruge presenilin og MmIAP i flæng for nemheds skyld.

Målingen var lav opløsning, men afslørede nok til at fastslå, at proteinstrukturen er mere simpelt sat sammen end tidligere antaget, og det overraskede forskerne.

"Vores prøve viser, at dette er en monomer i sig selv, " sagde Lieberman. "Vi forventede en dimer eller en trimer." Det betyder, at den bestod af en lang streng, for det meste viklet sammen som en fjeder, i stedet for fordoblede eller tredoblede krøllede tråde.

Presenilin (MmIAP) er bevæbnet med to kemiske knive, aspartater, som pålideligt skærer på peptider, de underenheder, der udgør proteiner. Og en anden ny undersøgelse af de samme forskere belyste, hvordan spaltningen fungerer.

Enhvers peptidslagter

Presenilin kan trimme peptider til byggesten, der er nyttige for dets egne celler, eller små dårlige peptidstykker, der ender i amyloid-beta plak, mistænkt for Alzheimers sygdom. Eller presenilin kan hjælpe og afhjælpe hepatitis C-vira ved at udskære komponenter, det har brug for for at reproducere.

At forstå, hvordan presenilin virker, kan en dag vise sig nyttigt for medicinsk forskning. "Hvis du kunne finde en måde at gribe ind i det selektivt, du kan stoppe spredningen af ​​hepatitis C i kroppen, " sagde Lieberman.

Forskerne, ledet af Lieberman og neutronspredningsforsker Volker Urban fra ORNL, offentliggjorde afsløringerne af neutronspredningen den 2. februar, 2018, i Biofysisk tidsskrift . Den nye indsigt i presenilins funktion skal officielt offentliggøres i marts i Journal of Biological Chemistry , men er i øjeblikket tilgængelig online uden embargo. De første forfattere var Swe-Htet Naing fra Georgia Tech og Ryan Oliver fra Oak Ridge.

Forskningen blev finansieret af National Science Foundation, National Institutes of Health, og det amerikanske energiministerium.

Hyrde hydrofobe gemmer

Forskerne rakte ud efter den store pistol, da de gik til High Flux Isotope Reactor (HFIR) for at få presenilin (MmIAP) til at komme ud af skjul.

HFIRs neutronstråler blev afkølet til minus 253 grader Celsius (minus 424 grader Fahrenheit) for at bremse neutronerne ned, så de kunne undersøge molekylære træk ved de biologiske prøver.

Presenilin og andre intramembrane proteiner berettiger sådanne velsproglige desperate foranstaltninger. De lever i et lipidmiljø og hader vand på den måde, katte gør, og det er et problem for forskere, der studerer dem.

"Når du har proteiner, der ikke er opløselige i vand, du er i problemer, " sagde Lieberman. "De sædvanlige teknikker til at analysere dem bliver meget, meget svært, hvis ikke umuligt. Og når du kemisk bootstrapper disse proteiner for at kunne bruge disse vandopløselige metoder, du har virkelig ringe chancer for at se proteinets faktiske struktur, der udfører sin funktion."

Form følger funktion

Billeder, der stammer fra vandbaserede analysemetoder i Liebermans laboratorium, har ikke helt kimet sammen med presenilins funktion. For en, enzymets skæreflader har været for langt fra hinanden. Neutronstrålens afsløringer gav mere mening for forskerne.

"Vores form var strammere, og gav mere mening med presenilins funktion i dets naturlige omgivelser i membranen, " sagde Lieberman.

Prøverne af presenilin (MmIAP) undersøgt ved HFIR blev suspenderet i en opløsning, der var venlig over for det hydrofobe protein. Ironisk, presenilin og andre intramembranproteaser hydrolyserer ofte peptider, med andre ord, de tilføjer vand til dem.

"Disse proteaser er begrænset til lipidcellemembranen, hvor der ikke er vand. Da der kræves vand til hydrolyse, det skal komme udefra membranen, " sagde Lieberman. "Hvordan det sker er endnu et mysterium, der skal afsløres."

Robust, pålidelige hakkere

Præcisionen og konsistensen, hvormed presenilinhomologen MmIAP spaltede peptider, imponerede forskerne.

"Da vi brugte en model syntetisk peptid, det spaltede kun i meget specifikke positioner på peptidet, " sagde Lieberman. "Da vi skiftede til et rigtigt biologisk peptid, den kløvede også meget præcist."

Forskerne sætter presenilinet igennem forskellige mutationer, som havde ringe eller ingen effekt på dets spaltningsevner. Det kan betyde, at dets baseline-funktion er næsten immun over for genetisk interferens.

På en rystende note, når du skærer amyloid-beta precursor peptider, forskerne observerede den mikrobielle presenilin fætter, MmIAP, altid at gøre koteletten på en måde berygtet for amyloids forbindelse med Alzheimers sygdom.

"Vi har aldrig set det snit, der gjorde, hvad der typisk ses som det 'gode' amyloid, A-beta-40, " sagde Lieberman. "Vi så kun snit, der førte til den 'dårlige' amyloid, A-beta-42."

Mere forskning ville være nødvendig for at forklare, hvorfor det skete; hvis det samme gælder for presenilin i humane cellemembraner, og også hvis en eller anden regulator forhindrer dannelsen eller ophobningen af ​​så meget dårligt amyloid i raske celler.