Новое исследование химиков Массачусетского технологического института проливает свет на давнюю загадку: как один фермент, известный как рибонуклеотидредуктаза (RNR), генерирует все четыре из этих строительных блоков и поддерживает правильный баланс между ними.В отличие от RNR, большинство ферментов специализируются на преобразовании только одного типа молекул в другой, говорит Кэтрин Дреннан, профессор химии и биологии Массачусетского технологического института. «Рибонуклеотидредуктаза очень необычна.
Я был очарован этим вопросом о том, как она на самом деле работает и как активному центру этого фермента можно придать четыре различных формы».Дреннан и его коллеги сообщают в журнале eLife, что взаимодействие RNR с его последующими продуктами через специальный эффекторный сайт заставляет фермент изменять свою форму, определяя, какой из четырех строительных блоков ДНК он будет генерировать.
Хотя многие другие ферменты контролируются эффекторами, этот тип регуляции обычно повышает или понижает активность фермента. «Я не могу придумать других примеров того, как связывание эффектора меняет субстрат. Это просто очень необычно», — говорит Дреннан.Ведущий автор статьи — бывшая аспирантка Массачусетского технологического института Кристина Зимани.
Другие авторы — аспиранты Персиваль Ян-Тинг Чен и Гюнхун Кан, а также бывший аспирант Майкл Функ.Закрытие защелки
Дезоксирибонуклеотиды образуются из рибонуклеотидов, которые являются строительными блоками для РНК — молекул, которые выполняют многие важные роли в экспрессии генов. РНР, который катализирует превращение рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды, является эволюционно древним ферментом, который, возможно, отвечал за превращение самых ранних форм жизни, основанных на РНК, в организмы на основе ДНК, говорит Дреннан.
«Нет другого фермента, который действительно мог бы делать такую химию», — говорит она. «Он единственный, и он сильно отличается от большинства ферментов и имеет много действительно необычных свойств».Предыдущие исследования показали, что RNR может принимать разные формы, но было неясно, как эти изменения в конфигурации повлияли на его специфичность.
В новом исследовании команда Массачусетского технологического института сделала рентгеновские кристаллографические изображения фермента во время его взаимодействия со всеми четырьмя рибонуклеотидными субстратами, что позволило исследователям определить, как изменяется его структура.Они обнаружили, что активный центр фермента — область, связывающая субстрат, — меняет форму в зависимости от того, какая эффекторная молекула связана с удаленным участком фермента. Для этого фермента эффекторными молекулами являются дезоксинуклеозидтрифосфаты, такие как дезоксиаденозинтрифосфат (dATP) или тимидинтрифосфат (TTP).
В зависимости от того, какой из этих эффекторов связан с удаленным регуляторным сайтом, в активном сайте может находиться один из четырех рибоунуклеотидных субстратов.
Связывание эффектора способствует закрытию части белка над активным сайтом, как защелка для фиксации субстрата. Если неправильное основание находится в активном участке, защелка не может закрыться, и субстрат выйдет наружу.
«Он изящно спроектирован так, что, если у вас есть неправильный субстрат, вы не сможете закрыть активный участок», — говорит Дреннан. «Это действительно элегантный набор движений, который позволяет проводить такой процесс молекулярного скрининга».Эффекторы также могут полностью отключить производство, связываясь с совершенно другим сайтом фермента, если пул строительных блоков становится слишком большим.
«Это исследование является настоящим проявлением силы, поскольку даны ответы на многие вопросы, касающиеся активации и специфичности. Наличие структур высокого разрешения для всех пар субстратов и эффекторов — потрясающее достижение», — говорит Уилфред ван дер Донк. профессор химии в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн, который не принимал участия в исследовании.Ориентация на производство ДНК
Поскольку раковым клеткам нужен большой пул строительных блоков ДНК, ученых интересует RNR как мишень для химиотерапевтических препаратов. В настоящее время существует несколько одобренных FDA противораковых препаратов, которые влияют на RNR и, таким образом, истощают пул дезоксинуклеотидов, но новые результаты могут помочь исследователям в разработке более эффективных лекарств, нацеленных на RNR, говорит Дреннан.
«Это дает возможность думать о разработке более рациональных лекарств, чем это было возможно раньше», — говорит Дреннан.По ее словам, RNR также может стать хорошей мишенью для антибактериальных или противовирусных препаратов, но для того, чтобы это сработало, исследователи должны убедиться, что лекарства не будут нацелены также на человеческую версию RNR. В этом исследовании Дреннан сосредоточилась на RNR из E. coli, но сейчас она изучает человеческую форму фермента.
«Моя лаборатория заинтересована в изучении как человеческих, так и бактериальных RNR, потому что я чувствую, что нам действительно нужно понять, все ли они работают одинаково или будут различия», — говорит она.