Нейтроны рисуют атомный портрет прототипа клеточного сигнального фермента
Прямые наблюдения за структурой и каталитическим механизмом прототипного киназного фермента — протеинкиназы A или PKA — дадут исследователям и разработчикам лекарств значительно улучшенные способности для понимания и лечения смертельных заболеваний и неврологических расстройств, таких как рак, диабет и муковисцидоз
Это открытие было сделано международной группой исследователей, использующих макромолекулярную нейтронную кристаллографию в Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики и в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция. Основываясь на десятилетнем исследовании, объединенные усилия выявили ранее неизвестные характеристики архетипической протеинкиназы , включая полную карту атомной структуры и основы химического фермента, используемого в клеточной передаче сигналов. Подробности публикуются в журнале Science Advances .
Киназы представляют собой большую группу из сотен ферментов, ответственных за инициирование и регулирование множества клеточных процессов. Киназы посылают сигналы в белки путем фосфорилирования — добавления реакционноспособной химической группы, состоящей из фосфора и кислорода, в определенное место на субстратном белке для активации его специфической биологической функции.
Проблемы возникают, когда генные мутации приводят к неправильной работе киназ, что, в свою очередь, приводит к заболеванию. Неисправная киназа или та, которая не может быть деактивирована, может быть ответственна за сверхэкспрессию белков, которые приводят к неконтролируемому размножению раковых клеток. Обратное также верно в отношении неврологических расстройств, при которых неисправная киназа просто приводит к гибели клеток.
«Создание лекарств, нацеленных на конкретные киназы, чрезвычайно важно», — сказал соавтор Андрей Ковалевский. «Это детальное понимание структуры PKA и ее динамики расскажет нам больше о других видах киназ и должно помочь разработчикам лекарств разрабатывать новые препараты с большей специфичностью, что в конечном итоге приведет к более точной терапии с меньшим количеством побочных эффектов».
Изменения в структуре белка из-за мутаций может быть трудно обнаружить, даже несмотря на то, что влияние мутаций на динамическое поведение белка может быть весьма значительным. Тем не менее, эти динамические поведения становятся более очевидными при изучении всей сети водородных связей по всему белку.
Нейтроны уникально чувствительны к легким элементам, таким как водород. Поскольку примерно 50 процентов всех атомов в белках составляют водород, а большинство химических реакций, которые катализируют ферменты, включают водород, нейтроны являются идеальным и непревзойденным датчиком для определения положения атомов водорода в структуре белка и отслеживания их движения во время катализа.
Дифракция нейтронов с использованием дифрактометра IMAGINE на высокопоточном изотопном реакторе ORNL, в лаборатории пользователя Министерства науки и науки и дифрактометре LADI-III в ILL позволила исследователям увидеть точное положение атомов водорода, чтобы выявить полную структуру киназы, а также протонирование состояния всех аминокислот в ПКА и лигандов, связанных с его активным сайтом, многие из которых ранее были неизвестны.
«Нейтроны позволили нам подтвердить рентгеновские прогнозы положения атомов водорода, а также определить протонирующие состояния химических групп, которые не были известны, или в местах, где мы не ожидали их найти. Это значительное химическое продвижение прокладывает путь для более сложного молекулярного моделирования и имитационных исследований структуры и функции протеинкиназы », — говорит соответствующий автор Сьюзен Тейлор.
«Нейтроны предлагают беспрецедентное представление о сети водородных связей, окружающих и находящихся внутри активного сайта PKA, и дают решающее представление о том, как происходит аллостерическая передача информации через структуру белка» , — добавил соавтор Джанлуиджи Веглия. «Сочетание нейтронной кристаллографии с ядерной магнитно-резонансной спектроскопией обеспечит полное понимание того, как работают ферменты».
