Новые методы в изучении белков

Отображение атомной структуры белков имеет решающее значение для понимания того, как они себя ведут, но это кропотливая работа, которая обычно требует специальных, дорогих средств с переохлажденными, мощными магнитами или синхротронами размером со стадион. На этой неделе две исследовательские группы независимо друг от друга сообщили, что они нашли способ использовать генетические и биохимические методы для выполнения этой работы, потенциально открывая структурную биологию для многих других лабораторий. И в отличие от традиционных методов, которые визуализируют белки в кристаллах или растворе, подход может также выявить естественную форму белков внутри клеток, когда они делают свою работу, которая может раскрыть, как мутации, нарушающие функцию белка, приводят к болезни.

” Это фантастика», — говорит Дуглас Фаулер, исследователь генома в Университете Вашингтона в Сиэтле. Фаулер отмечает, что новый подход не предлагает полную атомную карту, что делают стандартные подходы, но общая форма, которую он обеспечивает для белка тем не менее, предлагает “чрезвычайно ценные” ключи к его функции. Кроме того, по его словам, “это может оказать очень большое влияние” на усилия по определению структур белков, которые связаны с мембраной или являются частью больших комплексов, которые трудно изучать стандартными методами.

Наиболее распространенный на сегодняшний день подход к определению структуры белка требует, чтобы миллионы копий белка были помещены в упорядоченный кристалл и взорваны рентгеновскими лучами. Затем отслеживаются их рикошеты, чтобы выявить идентичность и положение каждого атома. Альтернативные подходы, включая спектроскопию ядерного магнитного резонанса и крио-электронной микроскопии, также требуют большого количества белка, что может занять несколько месяцев. Исследователи распутали структуры только около 150 000 из миллионов белков, которые как полагают существуют — и этот процесс занял десятилетия.

Некоторые пытались ускорить процесс, предсказывая наиболее вероятную форму белка просто из последовательности аминокислот и вероятных взаимодействий между атомами. Точность таких вычислительных усилий обычно отстает от экспериментальных методов. Один недавний трюк чтобы улучшить ситуацию, состоял в том, чтобы сравнить один и тот же белок у нескольких видов, чтобы найти пары аминокислот, которые эволюционировали вместе, даже если они находятся далеко друг от друга на линейной последовательности белка. Это сильный признак того, что они близки друг к другу и взаимодействуют внутри сложенной 3D-молекулы. Но этот подход работает только в том случае, если исследователи могут идентифицировать белки, которые разделяются многими организмами, но достаточно различны между ними, чтобы идентифицировать несколько пар аминокислот, развивающихся в тандеме, говорит Дебора Маркс, системный биолог Гарвардской Медицинской школы в Бостоне.

генетик

Теперь отдельные команды во главе с Марксом и Беном Ленером, генетиками из Барселонского института науки и техники в Испании, обошли необходимость в помощи эволюции.

 

Они независимо остановились на идее находить взаимодействуя аминокислоты внутри протеина, систематически мутируя каждую аминокислоту и отслеживая как изменения влияют на функцию протеина, и какова его способность связаться с другой молекулой. Обе группы основывались на работе над фрагментом бактериального белка под названием GB1 командой во главе с РЕН Суном, системным биологом из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. В 2014 году команда Sun сообщила о создании более полумиллиона копий гена GB1, в каждой из которых была изменена одна или две из 56 аминокислот. Для так называемых одиночных мутантов исследователи систематически меняли каждую аминокислоту на один из 19 других вариантов. В двойных мутантах они меняли пары аминокислот, прорабатывая почти все возможные комбинации.

Группы Маркса и Ленера поняли, что они могут объединить данные связывания одиночных и двойных мутантов, чтобы определить, какие аминокислоты взаимодействуют наиболее сильно и поэтому вероятно, сидят рядом друг с другом в трехмерной структуре белка. «Иногда мы видим мутации, которые объединяются, чтобы иметь гораздо более драматический эффект», — говорит Фаулер. Отслеживая десятки таких случаев и подавая результаты в программу прогнозирования структуры, команды вычислили форму основной магистрали GB1 с точностью до нескольких ангстремов разрешения уже известной экспериментальной рентгеновской структуры.

Команды, которые сообщили о своем успехе вчера в Nature Genetics, также показали, что их метод работал с другими небольшими белками и РНК с аналогичными доступными данными. Фаулер отмечает, что тот же самый подход может быть более трудным для белков с сотнями или тысячами аминокислот, но Маркс оптимистичен: ранние признаки предполагают, что метод может решить структуры только с долей всех возможных мутантов. Этот подход может даже работать с использованием мер стабильности для белков, которые не имеют известных партнеров по связыванию, говорит команда Lehner.

Метод имеет и другие преимущества. В марте Лехнер и его команда опубликовали препринт на сервере bioRxiv, описывающий его использование, чтобы узнать, как РНК-связывающий белок под названием TDP-43 может вызвать нейродегенеративное заболевание боковой амиотрофический склероз (ALS). Неразрешимые компоситы TDP-43 были увидены в невронах в мозгах многих пациентов ALS. Таким образом, Ленер и его коллеги сделали 50 000 мутантов TDP-43 и отслеживали их токсичность в дрожжевых клетках. Они обнаружили, что мутантные формы, которые агрегировались, — были менее токсичными, чем другие версии белка.

”Это полная противоположность тому, что мы ожидали», — говорит Лехнер, предупреждая, что они должны подтвердить этот результат в клетках млекопитающих. В любом случае, говорит он, это показывает, что сканирование мутаций тысячами может предложить новое понимание как самих белков, так и того, как их структуры влияют на здоровье в живых клетках.

Автор публикации

не в сети 1 год

Oleg_dobrov

1
Комментарии: 0Публикации: 57Регистрация: 10-06-2019