Kaliumjagt på proteinfabrikker

Banebrydende forskning ved den nye langbølgelængde makromolekylære krystallografistrålelinje (I23) ved Diamond Light Source har for første gang påvist placeringen af ​​kaliumioner i bakterielle ribosomer. Ribosomer er cellers proteinfabrikker, og selvom de er livsvigtige, man vidste kun lidt om de steder af metalioner, der er afgørende for deres struktur og funktion. Værket udgivet for nylig i Naturkommunikation viser de fantastiske anvendelser af I23-strålelinjen og kaster lys over kaliumioners vigtige rolle.

Ribosomer er gigantiske proteinfabrikker, der bor i celler fra alle former for liv, og er ansvarlige for den nøjagtige omdannelse af genetisk information til proteiner. De er de mest komplekse RNA-proteinsamlinger i cellen og har brug for metalioner for at opretholde deres struktur og funktion. Selvom en så vigtig bestanddel af en celle, den nøjagtige type og placering af metalioner i disse store komplekser var endnu ikke defineret. Faktisk, tidligere bestræbelser på at karakterisere ribosomet overbetonede betydningen af ​​magnesiumioner, så andre metalioner blev stort set ignoreret.

Et internationalt hold af forskere forsøgte fuldt ud at definere kaliums rolle i ribosomer. Ved at bruge den unikke langbølgelængde makromolekylære krystallografistrålelinje (I23) ved Diamond, holdet var i stand til at lokalisere hundredvis af kaliumioner i bakterielle ribosomer. Den banebrydende teknik demonstrerede for første gang på et 3-D strukturelt grundlag, at kaliumioner ikke kun var involveret i den samlede dannelse af strukturen af ​​ribosomalt RNA (rRNA) og ribosomale proteiner, men at de også spillede en vigtig rolle i dens funktion.

Disse resultater udfylder et enormt videnshul og kan også føre til potentielle terapeutiske anvendelser. Ved fuldt ud at forstå forviklingerne af bakterielle ribosomer, det er håbet, at de kan blive målrettet mod at udvikle nye klasser af antibiotika.

Magnesium som standard

Ribosomer er essentielle for proteinsyntese og er sammensat af to komplekse underenheder. Selvom deres struktur tidligere er blevet grundigt karakteriseret ved røntgenkrystallografi og kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM), de nøjagtige metalioner, der understøtter deres struktur og funktion, har unddraget sig forskerne.

Når ribosomer udsættes for diffraktionsforsøg, metalionerne bidrager til områder med elektrontæthed. Som standard, forskere har tilskrevet denne tæthed til magnesiumioner for at generere 3-D strukturelle modeller. Imidlertid, det er kendt, at kalium også spiller en vigtig rolle inden for ribosomer, da dets tilbagetrækning fører til udfoldelse.

Denne europæiske samarbejdsindsats involverer Gulnara Yusupova og Marat Yusupov fra Institute of Genetics and Molecular and Cellular Biology (IGBMC, Strasbourg, Frankrig), og Alexey Rozov fra et spin-out firma fra IGBMC kaldet "RiboStruct. "Vi har arbejdet i 30 år mod vores hovedmål, at forstå, hvordan ribosomets atomare struktur i sidste ende bestemmer dets ekstraordinære funktion:proteinsyntese. Kalium er den mest udbredte kation i cellerne, og som sådan blev anset for vigtig for alle cellulære processer, men dens indflydelse på oversættelsen blev aldrig undersøgt i detaljer." udtalte holdet af Gulnara Yusupova og Marat Yusupov. Således gik de i gang med en langvarig undersøgelse hjulpet af Dr. Armin Wagners team på I23 for fuldt ud at karakterisere kaliumioner i bakterielle ribosomer.

Unikt anlæg

Det tager over to år at udvikle, I23 er et unikt anlæg hos Diamond, der dækker et energiområde, der ikke er tilgængeligt på nogen anden synkrotron i verden. Dr. Wagner, Principal Beamline Scientist ved I23 og en af ​​forfatterne til undersøgelsen forklarede strålelinjens muligheder:"Det unikke bølgelængdeområde giver os mulighed for virkelig at målrette bindingen af ​​kalium. Så vi kan lave eksperimenter omkring absorptionskanten, der giver os mulighed for at beregne 3 -D-kort, der fremhæver de atomer, der bidrager til spredningen."

Undersøgelsen fokuserede på bakterielle ribosomer fra Thermus thermophilus. Forskerne koncentrerede deres indsats om krystalstrukturer af ribosomer i kompleks med messenger-RNA og transfer-RNA. Ved at måle de unormale spredningssignaler ved K-kanten kunne de detektere kaliumionerne.

Dr. Wagners team på I23 hjalp med at planlægge og udføre undersøgelsen, som var den første af sin slags i verden. At studere et af de mest komplekse biologiske systemer var belastende, og holdene fra IGBMC og RiboStruct brugte over et år på at analysere dataene for at lokalisere kaliumioner med hidtil uset præcision.

Vital rolle af kalium

Holdet så hundredvis af kaliumioner, og mange var i vigtige positioner inden for ribosomet. Den vigtigste stabiliserer afkodningscentret, når den er bundet til messenger-RNA'et, som formidler genetisk information til ribosomet. Disse indsigter viser virkelig kaliums vitale rolle i proteinsyntesen.

Typisk, cryo-EM bruges i vid udstrækning til at udforske ribosomale strukturer, men denne undersøgelse viser, at krystallografi kan tilbyde unik indsigt. Den nøjagtige placering af kalium og faktisk andre metalioner er endnu ikke mulig med elektroner.

Holdene vil fortsætte deres indsats for at karakterisere ribosomer ved hjælp af både kryo-EM og krystallografi, og de har til hensigt at se på højere organismer i fremtiden. Hos Diamond, Dr. Wagner sigter mod at realisere potentialet i I23 som et værdifuldt forskningsværktøj. "I23 er i øjeblikket det eneste anlæg, hvor denne forskning kunne være blevet udført. Det viser, at I23 kan bestemme positionen af ​​lette atomer som kalium, kalk, klor, fosfor, svovl, alle atomer af høj biologisk betydning. Denne undersøgelse er kun starten, og vi forventer flere spændende resultater fra beamline, " konkluderede han.