En molekylær dans af fosfolipidsyntese

Det mest udbredte molekyle i cellemembraner er lipidet phosphatidylcholin (PC, almindeligvis kendt som lecithin); derfor, enzymerne, der er ansvarlige for at syntetisere det, er essentielle. Forskning offentliggjort i 4. maj-udgaven af Journal of Biological Chemistry brugt computersimuleringer til at få indsigt i, hvordan et af disse enzymer aktiverer og lukker pc-produktionen fra. Disse resultater kan hjælpe forskere med at forstå, hvorfor små ændringer i dette enzym kan føre til tilstande som blindhed og dværgvækst.

Rosemary Cornell, professor i molekylær biologi og biokemi ved Simon Fraser University i Canada, studerer enzymet CTP:phosphocholin cytidylyltransferase, eller CCT. CCT sætter hastigheden for PC-produktion i celler ved at binde sig til cellemembraner med lavt PC-indhold. Når det er bundet til membraner, CCT-enzymet ændrer form på en måde, der gør det muligt for det at udføre det nøglehastighedsbegrænsende trin i pc-syntese. Når mængden af ​​PC, der udgør membranen, stiger, CCT falder af membranen, og PC-produktionen ophører.

"Membranen er denne store makromolekylære række med masser af forskellige molekyler i sig, " sagde Cornell. "Hvordan genkender dette enzym, at 'Åh, Jeg burde sætte farten ned, fordi pc-indholdet i membranen bliver for højt?'"

Cornell og hendes projektteam - et samarbejde med Peter Tieleman og kandidatstuderende, Mohsen Ramezanpour ved University of Calgary og Jaeyong Lee og Svetla Taneva, forskningsmedarbejdere ved SFU - mente, at svaret måtte have at gøre med de dynamiske formændringer, som enzymet gennemgår, når det binder sig til en membran. Men disse ændringer er svære at fange med traditionelle strukturbiologiske metoder som røntgenkrystallografi, som tager et statisk øjebliksbillede af molekyler. I stedet, holdet brugte beregningssimuleringer af molekylær dynamik, som bruger information om kræfterne mellem hvert enkelt atom i et molekyle til at beregne banerne for enzymets bevægelige dele.

"Hvordan det ser ud (når du visualiserer outputtet), er dit store molekyle, der danser foran dine øjne, "Sagde Cornell." Vi opstillede molekylær dynamiksimulering ikke en gang, ikke to gange, men 40 forskellige (tider). Det tog måneder og måneder bare at udføre de beregningsmæssige dele og endnu flere måneder at prøve at analysere dataene bagefter. Vi brugte faktisk meget tid, da vi først fik dataene, på bare at kigge på skærmen på disse dansende molekyler."

Den simulerede dans af CCT-molekylet viste, at når M-domænet, den del af enzymet, der typisk binder til membranen, løsner sig fra en membran, det hænger enzymets aktive sted, forhindrer den i at udføre sin reaktion. Da det hængende segment blev fjernet fra simuleringen, holdet så en dramatisk bøjningsbevægelse i dockingstedet for det fastlåste element, og spekulerede i, at denne bøjning ville skabe et bedre enzym aktivt sted til katalysering af reaktionen, når den blev fæstnet til en membran. Holdet bekræftede disse mekanismer ved hjælp af biokemiske laboratorieeksperimenter.

Interessant nok, tidligere genetiske undersøgelser havde vist, at mutationer i genet, der koder for CCT, er ansvarlige for sjældne tilstande som spondylometaphyseal dysplasi med keglestangsdystrofi, som forårsager alvorlige svækkelse af knoglevækst og syn, men det var ukendt, hvordan disse ændringer i enzymet kunne føre til så dramatiske konsekvenser. Cornell håber, at forståelsen af, hvordan enzymet virker, kunne hjælpe forskerne med at finde ud af det.

"Hvis du kun har en lille ændring i CCT, hvordan vil det så gøre hele denne proces med at syntetisere pc defekt? "spørger Cornell." Det er det, vi studerer lige nu. "