Forskere fastlægger destination for protein, der leverer zink

De fleste tænker ikke så meget over zink. Men alle levende ting har brug for zink for at overleve. Dette sporelement hjælper mange proteiner med at folde sig til de rigtige former for at udføre deres arbejde. Og i proteiner kendt som enzymer hjælper zink med at katalysere kemiske reaktioner - herunder mange vigtige for at give energi til celler. Hvis zink er fraværende, trives mennesker, kæledyr og planter ikke.

Det er en af ​​grundene til, at biologer ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory er så interesserede i dette element.

"Vi leder efter måder at dyrke bioenergiplanter - enten planter, der producerer biobrændstoffer, eller hvis biomasse kan omdannes til brændstof - og gøre det på jord, der ikke er egnet til dyrkning af fødevareafgrøder," sagde Brookhaven Lab-biolog Crysten Blaby, der også har en adjungeret ansættelse ved Stony Brook University. "Så vi er interesserede i strategier, naturen bruger for at overleve, når zink og andre mikronæringsstoffer mangler."

I et papir netop offentliggjort i tidsskriftet Cell Reports, Blaby og hendes kolleger beskriver en sådan strategi:et såkaldt "chaperone"-protein, der leverer zink, hvor det er nødvendigt, hvilket kan være særligt vigtigt, når adgangen til zink er begrænset. Selvom videnskabsmænd, inklusive Blaby, længe har haft mistanke om eksistensen af ​​en zink-chaperone, giver den nye forskning det første endelige bevis ved at identificere en "destination" for dens leveringer.

Gennem en række biokemiske analyser og genetiske eksperimenter identificerede holdet et zinkafhængigt protein, der ikke kan fungere ordentligt uden chaperonen. Dette protein, kaldet MAP1, findes på tværs af arter - fra gær og mus til planter og mennesker. Det betyder, at resultaterne ikke kun er relevante for planter, men også for menneskers sundhed, hvor zinkmangel fører til vækst- og udviklingshæmninger.

"Vores mål er bæredygtighed af bioenergiafgrøder, men fordi de proteiner, vi studerer, findes næsten overalt, har vores forskning anvendelser, der er meget brede," sagde Blaby.

Opsporing af en opdagelse

Andre spormetaller, som nikkel og kobber, bliver kørt rundt i cellerne af chaperoner, fordi de kan være giftige. Chaperonerne forhindrer de reaktive metaller i at indgå i "uønskede associationer". Reaktioner mellem nogle spormetaller og oxygen genererer frie radikaler, der er skadelige for celler. Men zink ser ikke ud til at have tilbøjelighed til sådanne farlige forbindelser.

"Zink er en relativt harmløs metalion. Da den ikke reagerer med oxygen for at skabe reaktive oxygenarter, troede vi, at den måske bare diffunderer for at komme derhen, hvor den skal hen uden behov for en chaperone," sagde Blaby. Men det forhindrede ikke forskerne i at lede efter en.

Da Blaby var kandidatstuderende ved University of Florida i begyndelsen af ​​2000'erne, arbejdede hun sammen med professor Valérie de Crécy-Lagard, som først forudsagde, at medlemmer af en proteinfamilie kaldet CobW var de manglende zink-chaperoner. "Min forskning som en del af den gruppe gav bevis for, at hvis et sådant eksisterer, var det sandsynligvis et protein i denne familie. Men for at bevise, at det fungerer som en zinkchaperon, var vi nødt til at identificere destinationen - det protein, det leverede zink til, " sagde Blaby.

Mange grupper arbejdede på den udfordring i årevis, men kunne stadig ikke finde og bevise den påståede chaperones mål.

Datamining viser spor

Spol frem til, da Blaby begyndte at bygge sin forskningsgruppe i Brookhaven i 2016. Mens hun udvindede data om interaktioner mellem proteiner, der var blevet deponeret i søgbare databaser i løbet af det sidste årti, fandt hun beviser på en interaktion mellem et protein i den påståede zinkchaperonfamilie og et protein kaldet methioninaminopeptidase eller MAP1. Og hun fandt interaktionen i både gær og mennesker.

"Når du ser en sådan konserveret proteininteraktion i meget forskellige organismer, betyder det normalt, at det er vigtigt," sagde Blaby.

MAP1, viser det sig, modificerer mange proteiner i cellen - på tværs af næsten alle arter. Hvis MAP1 ikke virker, har umodificerede proteiner problemer. Og MAP1 afhænger af zink for at fungere.

"Stykkerne begyndte at falde sammen," sagde Blaby. "Så startede det virkelig sjove - som var at teste vores meget specifikke hypotese:at dette protein, vi er kommet til at kalde ZNG1 (udtales zing 1) er chaperonen, der leverer zink til MAP1."

Blaby arbejdede sammen med Brookhaven postdocs Miriam Pasquini og Nicolas Grosjean, som designede og kørte en række eksperimenter for at få fat i sagen. De to deler første forfatterskab på papiret.

"Dette var et rigtig godt team at samle for at gøre både in vivo og in vitro arbejde nødvendigt for endelig at give eksperimentelt bevis for funktionen af ​​disse proteiner," sagde Blaby.

Bevis er i kolben

For det første slog Grosjean ved hjælp af hurtigtvoksende gærceller genet ud, der fortæller celler, hvordan de skal lave ZNG1. Hvis dette protein er chaperonen, der leverer zink til MAP1, så burde MAP1 ikke fungere korrekt i knockout-cellerne.

Og når der mangler zink i miljøet, skulle fejlen i MAP1-funktionen blive værre.

"Når mange proteiner konkurrerer om begrænset zink, er det en situation, hvor det, hvis der er en chaperone, kan hjælpe med at vælge, hvilket af de mange zinkafhængige proteiner, der skal få denne dyrebare ressource," forklarede Grosjean. Med andre ord, når zink er begrænset, bør chaperonens fravær kunne mærkes mere.

Resultaterne kom ud lige som forventet:Celler uden genet for ZNG1 havde defekter i MAP1-aktivitet, og niveauet af defekt steg i lavzinkmiljøet.

Dernæst ledede Pasquini et projekt for at rense de to proteiner - ZNG1 og MAP1 - isoleret. Først viste hun, at når der ikke er zink til stede, som forventet, virker MAP1 i sig selv ikke.

Derefter blandede hun MAP1 med ZNG1, der var blevet fyldt med zink. Men igen, der var ingen MAP1-aktivitet. Forskerne ræsonnerede, at der måtte mangle noget andet.

Gennem en række eksperimenter viste de, at ZNG1 skal aktiveres for at levere sin zinklast. Denne aktivering kommer fra et energimolekyle kendt som GTP.

"Det, vi tror, ​​der sker, er, at chaperonen binder GTP og har en bestemt konformation eller form," sagde Pasquini. "Når det frigiver energien fra GTP, ændrer det form. Vi tror, ​​at konformationsændringer kan være vigtige for at binde og frigive zink."

Da Pasquini tilføjede GTP til blandingen af ​​zinkfyldt ZNG1 og MAP1, observerede hun endelig MAP1-aktivitet.

"Det er først efter at du har tilføjet energimolekylet, at du ser tegn på, at zink overføres til MAP1," sagde hun.

Tilsammen gav disse eksperimenter bevis for, at det længe mistænkte protein nu kendt som ZNG1 fungerer som en chaperon til at levere zink til MAP1.

Større skala implikationer

Holdet samarbejdede også med forskere i Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science-brugerfacilitet ved Pacific Northwest National Laboratory, om "proteomics"-eksperimenter i større skala. Og de arbejdede sammen med Estella Yee på Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en anden DOE Office of Science-brugerfacilitet, om beregningsmodelleringsstudier for at forstå proteinkomplekset, der dannes mellem zinkchaperonen og MAP1.

"Vores in vivo og in vitro eksperimenter kiggede kun på et par spillere. Hvad proteomics tillod os at gøre, var at se, hvordan sletning af zinktransferasegenet påvirker alle proteinerne – og undersøg hvilken indflydelse disse spillere har på resten af ​​cellen og organismen," sagde Blaby.

En af de største konsekvenser er, at celler ikke længere kan tilpasse sig lave niveauer af zink.

"Celler har udviklet sig, så når zinkkoncentrationerne bliver for lave, tænder en gruppe gener for at reagere på denne ændring af omstændigheder. Men når du slipper af med ZNG1, forbliver mange af disse gener slukkede," sagde Blaby.

"Vi bygger nu på dette grundlæggende arbejde, der er afsluttet i den hurtigt voksende gærmodelorganisme for at forstå, hvordan disse proteiner og deres funktioner bevares i bioenergiafgrøder," sagde Blaby. "Dette arbejde kaster lys over en hidtil ukendt strategi, som planter bruger til at trives, når zink er begrænsende i jorden. At forstå sådanne strategier kan hjælpe os med at udtænke måder at optimere afgrødeproduktiviteten og opnå miljømæssigt bæredygtig bioenergi."

Pasquini tilføjede:"Muligheden for planter til at opnå modstandsdygtighed i lavzinkjorde betyder også, at vi ville være i stand til at udnytte ikke-agerjord til dyrkning af bioenergiafgrøder, hvilket efterlader frugtbar jord dedikeret til andre landbrugsformål. At skubbe planteceller til at producere mere ZNG1 ville tænkes at muliggøre overlegen vækst på marginale jorder, der er udtømt for zink." + Udforsk yderligere

Undersøgelse identificerer den første cellulære 'chaperone' for zink