Дослідження того, як білки з’єднуються всередині клітин

 

Короткі лінійні мотиви (сині) використовують фланкуючі області за межами їх основної амінокислотної послідовності для розпізнавання білків, таких як ENAH (сірий) (фото: phys.org)

Департамент біології Массачусетського технологічного інституту.

Незважаючи на мінімальний розмір, одна клітина містить мільярди молекул, які метушаться навколо і зв’язуються одна з одною, виконуючи життєво важливі функції. Геном людини кодує близько 20 000 білків, більшість з яких взаємодіє з білками партнерів, опосередковуючи понад 400 000 різних взаємодій,пише Phys.org.

Ці партнери не просто чіпляються один за одного випадково; вони зв'язуються лише з дуже конкретними супутниками, яких вони повинні впізнати всередині переповненої камери. Якщо вони створять неправильні пари — або навіть правильні пари не в тому місці чи не в той час — можуть виникнути рак чи інші захворювання. Вчені наполегливо працюють над дослідженням цих взаємовідносин між білком і білком, щоб зрозуміти, як вони працюють, і потенційно створити ліки, які порушують або імітують їх для лікування захворювань.

Середній білок людини складається приблизно з 400 будівельних блоків, які називаються амінокислотами, які з’єднані разом і згорнуті в складну тривимірну структуру. У цьому довгому рядку будівельних блоків деякі білки містять відрізки з 4-6 амінокислот, які називаються короткими лінійними мотивами (SLiMs), які опосередковують взаємодію білка з білком . Незважаючи на свою простоту та невеликий розмір, SLiM та їх зв’язуючі партнери сприяють ключовим клітинним процесам. Проте історично було важко розробити експерименти, щоб з’ясувати, як SLiM розпізнають своїх конкретних зв’язуючих партнерів.

Щоб вирішити цю проблему, група на чолі з доктором філософії Терезою Хван. '21 розробив метод скринінгу, щоб зрозуміти, як SLiM селективно зв'язуються з певними білками, і навіть розрізнити ті з подібними структурами. Використовуючи детальну інформацію, яку вони отримали під час вивчення цих взаємодій, дослідники створили власну синтетичну молекулу, здатну надзвичайно міцно зв’язуватися з білком під назвою ENAH, який причетний до метастазування раку. Команда поділилася своїми висновками в парі досліджень eLife , одне опубліковане 25 січня 2022 року, а інше — 2 грудня 2021 року.

«Здатність перевіряти сотні тисяч потенційних SLiM на зв’язування є потужним інструментом для вивчення того, чому білки віддають перевагу конкретним партнерам SLiM перед іншими», — каже Емі Кітінг, професор біології та біологічної інженерії та старший автор обох досліджень. «Коли ми отримуємо розуміння хитрощів, які використовує білок, щоб вибрати своїх партнерів, ми можемо застосувати їх у дизайні білків, щоб створити наші власні зв’язуючі речовини для модуляції функції білка для дослідницьких або терапевтичних цілей».

Більшість існуючих екранів для SLiM просто вибирають короткі, щільні зв’язуючі речовини, нехтуючи SLiM, які не так сильно захоплюють білки своїх партнерів. Щоб досліджувати SLiM з широким діапазоном спорідненості, Кітінг, Хван та їхні колеги розробили власний екран під назвою MassTitr.

Дослідники також підозрювали, що амінокислоти з обох сторін основної послідовності 4-6 амінокислот SLiM можуть відігравати недооцінену роль у зв’язуванні. Щоб перевірити свою теорію, вони використали MassTitr для скринінгу людського протеома на довші фрагменти, що складаються з 36 амінокислот, щоб побачити, які «розширені» SLiM будуть асоціюватися з білком ENAH.

ENAH, яку іноді називають Мена, допомагає клітинам рухатися. Ця здатність мігрувати є критичною для здорових клітин, але ракові клітини можуть кооптувати її для поширення. Вчені виявили, що зменшення кількості ENAH зменшує здатність ракових клітин проникати в інші тканини, що припускає, що формулювання ліків, які порушують цей білок та його взаємодії, можуть лікувати рак.

Завдяки MassTitr команда визначила 33 білки, що містять SLiM, які зв’язуються з ENAH — 19 з яких є потенційно новими партнерами по зв’язуванню. Вони також виявили три різні моделі амінокислот, що фланкують серцеві послідовності SLiM, які допомогли SLiM ще міцніше зв’язуватися з ENAH. З цих розширених SLiM один знайдений у білку під назвою PCARE, зв’язаному з ENAH, з найвищою відомою спорідненістю з усіх SLiM на сьогоднішній день.

Далі дослідники об’єднали комп’ютерну програму під назвою dTERMen з рентгенівською кристалографією, щоб зрозуміти, як і чому PCARE зв’язується з ENAH над двома майже ідентичними сестринськими білками ENAH (VASP і EVL). Хван та її колеги помітили, що амінокислоти, що фланкують ядро ​​PCARE SliM, спричиняють незначну зміну форми ENAH, коли вони стикаються, дозволяючи сайтам зв’язування з’єднуватися один з одним. VASP та EVL, навпаки, не могли зазнати цих структурних змін, тому PCARE SliM не був пов’язаний ні з одним із них так тісно.

Натхненна цією унікальною взаємодією, Хван розробила свій власний білок, який зв’язувався з ENAH з безпрецедентною спорідненістю та специфічністю. «Було цікаво, що ми змогли придумати такий специфічний сполучний матеріал», — каже вона. «Ця робота закладає основу для розробки синтетичних молекул, здатних порушити білкові взаємодії, які викликають захворювання, або допомогти вченим дізнатися більше про ENAH та інші білки, що зв’язують SLiM».

Ілва Іварссон, професор біохімії Уппсальського університету, яка не брала участі в дослідженні, каже, що розуміння того, як білки знаходять своїх партнерів для зв’язування, є питанням фундаментального значення для функціонування та регуляції клітин. Два дослідження eLife , пояснює вона, показують, що розширені SLiM відіграють недооцінену роль у визначенні спорідненості та специфічності цих зв’язувальних взаємодій.

«Дослідження проливають світло на ідею про те, що контекст має значення, і надають стратегію скринінгу для різноманітних взаємозалежних взаємодій», — каже вона. «Хванг та співавтори створили цінні інструменти для аналізу клітинної функції білків та їх партнерів по зв’язуванню. Їхній підхід може навіть надихнути ENAH-специфічні інгібітори для терапевтичних цілей».

Найбільшим висновком Хванга з проекту є те, що все не завжди так, як здається: навіть короткі прості білкові сегменти можуть грати складні ролі в клітині. Як вона каже: «Ми повинні дійсно цінувати SLiMs більше».