Nye cryo-EM-billeder kaster lys over Wnt-signalering

Ved hjælp af UT Southwesterns kryo-elektronmikroskopi-facilitet har forskere taget billeder af et enzym til Wnt-lipidering, som er afgørende for menneskelig udvikling og afgørende for Wnt-signalaktivering. Resultaterne, rapporteret i Nature , kaste lys over mekanismerne bag denne aktivitet og kunne i sidste ende føre til nye lægemidler til behandling af forskellige maligne sygdomme.

"Vi er i stand til at skubbe forskningsrammerne længere ind i nøgleområdet for kræftrelaterede signalveje takket være UT Southwesterns avancerede kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) facilitet," sagde Xiaochun Li, Ph.D. ., lektor i molekylær genetik og biofysik, som ledede undersøgelsen sammen med Yang Liu, en fjerdeårs kandidatstuderende, og Xiaofeng Qi, Ph.D., en postdoc-forsker. Både Mr. Liu og Dr. Qi arbejder i Li-laboratoriet. "Den afslørede videnskabelige mekanisme kunne accelerere udviklingen af ​​nye kræftbekæmpende lægemidler mod avancerede solide tumorer."

Forskere har længe vidst, at medlemmer af Wnt-familien af ​​proteiner er afgørende for embryonal udvikling, hvilket starter signalveje, der er nødvendige for funktioner som aksedannelse, celleskæbnespecifikation og celleproliferation og migration. Da Wnt-proteiner først blev opdaget i begyndelsen af ​​1980'erne, blev de straks forbundet med kræft; afvigende Wnt-signalering er kendt for at bidrage til kræft i bugspytkirtlen, melanom, triple-negativ brystkræft og andre typer maligniteter.

For at udføre deres signalfunktioner, forklarede Dr. Li, skal Wnt-proteiner først aktiveres ved tilsætning af et lipidmolekyle, et arbejde udført af et enzym kaldet Porcupine (PORCN). Hvordan dette sker strukturelt, og den mekanisme, hvormed forsøgsmedicin hæmmer denne aktivitet, har været ukendt.

For at undersøge det samlede Dr. Li og hans kolleger kryo-EM-billeder af fire strukturer:PORCN bundet til et co-enzym kaldet palmitoleoyl-CoA, som bidrager med lipidmolekylet til at aktivere Wnt; PORCN bundet til LGK974, et forsøgslægemiddel kendt for at hæmme Wnt-signalering; PORCN bundet til LGK974 og WNT3A, et Wnt-familiemedlem; og PORCN bundet til et aktiveret, lipid-modificeret WNT3A-protein. Cryo-EM, en teknik anerkendt af en Nobelpris i 2017, fryser proteiner på plads for at få mikroskopiske billeder i atomopløsning.

Disse billeder viste, at WNT3A, PORCN og palmitoleoyl-CoA kommer sammen i en sandwich-type konfiguration, med PORCN i midten flankeret af de to andre prækursorer. Når WNT3A og PORCN blev inkuberet med LGK974 i stedet for palmitoleoyl-CoA, indtog undersøgelseslægemidlet stedet for palmitoleoyl-CoA, hvilket blokerede dets evne til at binde og bidrage med lipidmolekylet; Uden denne lipidmodifikation, sagde Dr. Li, kan WNT3A ikke sætte gang i en signaleringskaskade.

Derudover løste billederne et årtier gammelt mysterium om, hvorfor lipidkæden, der modificerer Wnt-proteiner, adskiller sig strukturelt fra den på et beslægtet protein kaldet Hedgehog, som også er involveret i menneskelig udvikling og kræft og aktiveres af lipidmodifikation. Mens lipidkæden på Hedgehog er lavet af en mættet fedtsyre, hvilket får den til at strække sig ind i en lige linje, er den på PORCN umættet, hvilket får den til at knække til en C-form. Forskerne fandt ud af, at denne knæk er nødvendig for, at lipidkæden kan passe ind i et hulrum på PORCN, et kritisk trin før det overføres til Wnt.

Dr. Li bemærkede, at LGK974 er et af flere lægemidler, der påvirker Wnt-signalering, som i øjeblikket er i kliniske forsøg mod forskellige kræftformer. At kende de atomare strukturer af Wnt, PORCN, palmitoleoyl-CoA og deres komplekser kan føre til lægemidler, der er bedre designet til at blokere disse interaktioner. + Udforsk yderligere

Forskere bestemmer atomstrukturen af ​​molekylært kompleks forbundet med fødselsdefekter