Как объясняет биохимик Лила Гираш, белки — это макромолекулярные механизмы, которые облегчают широкий спектр физиологических функций у всех организмов. Начиная с нейтральной формы лапши, эти большие молекулы вступают в сложный, похожий на оригами процесс складывания, образуя трехмерные структуры, которые выполняют клеточную работу.Но фолд — сложная задача, и не всегда получается, — добавляет она.
Неправильно свернутые белки могут вызывать заболевание, поэтому клетки разработали стратегии контроля качества, чтобы направлять или сопровождать их. «В нынешних активных исследованиях сворачивания и неправильного сворачивания белков часто забывают о море маленьких молекул, в которых белки живут в клетке», — говорит она. Оказывается, небольшие молекулы или лиганды играют большую роль в определении результатов.
Новое достижение, недавно описанное в журнале Nature Chemical Biology, основано на экспериментах с лигандами, проведенных аспирантом Гираша Караном Хингорани, с математическим моделированием Эваном Пауэрсом из Исследовательского института Скриппса, Ла-Хойя, Калифорния, и дальнейшими подтверждающими экспериментами в лизосомном хранилище. Модель болезни (ЛСД) Скотта Гармана и его аспирантов Мэтью Меткалфа и Деррика Деминга из Университета Массачусетса в Амхерсте. Лаборатория Гармана особенно опытна в выявлении молекулярной структуры с помощью рентгеновской кристаллографии.
Каран, получивший за эту работу премию Байрона программы молекулярной и клеточной биологии кампуса за «лучшую диссертацию года», наблюдал в экспериментах с кишечной палочкой, что, когда он добавил небольшую молекулу под названием триметоприм — плохой вариант сворачивания белка. дигидрофолатредуктаза — «резко, весь белок оказался в правильно свернутой форме».Стало ясно, говорит Гираш, что «этот белок имеет точку принятия решения, и меньшая молекула смещает его в сторону правильного сворачивания. Он может следовать по пути сворачивания до нативного состояния, правильного сворачивания или, в случае E. coli, неправильного сворачивания. белок попадет в мусорную яму клетки.
Это «кинетическое разделение» — идея о том, что процесс подобен воде, текущей в трубе, и достигает точки принятия решения, в которой он может принимать одно из двух направлений ».Гарман добавляет: «Оказывается, эти лиганды, которые представляют собой очень маленькие молекулы размером всего около 100 дальтон, имеют решающее значение для определения поведения сворачивающихся макромолекул размером порядка 100 килодальтон, то есть в 1000 раз больше. мышь говорит слону, что делать ».«Эта работа имеет важное значение для разработки будущих терапий на основе фармакологических шаперонов для лечения заболеваний неправильной укладки», — добавляет он. «У нас было много клеточных и биологических наблюдений, но эта статья берет все эти примеры и впервые ставит их на прочную математическую основу с четкой картиной того, что происходит на молекулярном уровне».
В этой работе Хингорани активно сотрудничал с Пауэрсом из Скриппса, чтобы смоделировать процесс сворачивания в E. coli. Гираш вспоминает: «Его наблюдение было отличным тестом для проверки того, как может действовать малая молекула. Когда модель была создана, предсказания очень хорошо воспроизводили экспериментальные данные, подтверждая подход». Чтобы обобщить открытие, она и Хингорани передали результат Гарману, чтобы применить его к биомедицинским системам, таким как ЛСД, которые он изучает. Известно, что фармакологические шапероны помогают правильно складывать ЛСД-ассоциированные белки и облегчают симптомы болезни.
Гиараш отмечает: «Впервые мы понимаем на молекулярном уровне, как работает фармакологический шаперон. Мы знали, что если вы добавите небольшую молекулу к этим больным клеткам, это даст эффект, но не существовало количественного способа описания.
Это." Гарман добавляет: «Вот случай, когда неожиданный результат в бактериальной клетке помогает нам понять, что происходит в человеческой клетке. Вы никогда не знаете, как открытие выведет вас на новый уровень понимания».Исследователи говорят, что эта работа демонстрирует ценность поддержки сотрудничества между биохимиками и молекулярными биологами.
Гарман говорит: «Это была работа сообщества, и я думаю, мы все ценим, что действительно интересные вещи появляются, когда люди из разных слоев общества, с разным опытом собираются вместе, чтобы работать над общей проблемой».Гираш соглашается.
Она добавляет, что объединенное компьютерное моделирование и экспериментальный подход, примененные здесь, «дают новое понимание характеристик фармакологических шаперонов, которые сделают их наиболее эффективными при исправлении дефектов в ЛСД-ассоциированных белках. Долгосрочные результаты этой работы включают разработку улучшенных фармакологических препаратов. шапероны и более глубокое понимание того, как на сворачивание белка в клетке влияет море маленьких молекул и метаболитов внутри клетки ».
