Döntő mutációk

Sémás ábrázolás a négy funkciót meghatározó szerkezeti különbségről az enzimesen aktív és inaktív glutaredoxinok között.

Összehasonlítás az enzymatikusan aktív és inaktív glutaredoxinok négy funkciót meghatározó strukturális különbsége között.

A német kutatók pontos szerkezeti különbségeket fedeztek fel, amelyek meghatározzák, hogy egy fehérje aktív enzimmé vagy vasionok szerkezetévé válik-e. Ez a felismerés, amelyről a Nature Communications szakfolyóirat számol be, mélyebb betekintést nyújt alapvető sejtfiziológiai folyamatokba, mint például a DNS-szintézis és a vas anyagcsere.

Negyedik mutációk egy, a Glutaredoxin néven ismert fehérjecsoportban határozzák meg, hogy a fehérjék különböző területeken, például baktériumokban, élesztőben, növényekben és az emberen hogyan működnek, számolnak be a kutatók a Nature Communications szakfolyóiratban.

„Ezek a fehérjék központi szerepet játszanak az életfontosságú anyagcsere-utakban” – magyarázta Marcel Deponte professzor, aki a Kaiserslautern Műszaki Egyetem biokémikusa és a kutatás vezetője. „A szerzett ismeretek a fehérjékről bővítik alapvető megértésünket arról, hogyan működik az élet.”

Két fő osztálya van a Glutaredoxin-fehérjéknek. Az I. osztályba tartozó Glutaredoxin enzimek fontos redox-reakciókat katalizálnak, például a DNS kiindulási vegyületeinek szintézisét. A II. osztályba tartozó Glutaredoxinok nem aktív katalizátorok, hanem átvivők és érzékelők vas-szulfid klaszterekhez, amelyek fontos szerepet játszanak a vas anyagcseréjében.

Míg a biokémikusok több mint 20 éve ismerik mindkét osztályt, eddig nem volt világos, hogy mely szerkezeti különbségek felelősek a különböző funkciókért. Marcel Deponte csatlakozott a Szaar-vidéki Egyetem és a Heinrich Heine Egyetem Düsseldorf kutatóihoz, hogy a fehérjéket üvegben, élesztősejtekben és számítógépes modellezéseken vizsgálják.

A fehérjék magmágneses rezonancia szerkezetei négy olyan területet mutattak, ahol különbségek vagy mutációk voltak az I. és a II. osztály aminosav-szekvenciáiban. Deponte és munkatársai pontosan szerették volna tudni, hogy minden mutáció mennyivel járul hozzá ahhoz, hogy a fehérje aktív Glutaredoxin I. vagy inaktív Glutaredoxin II. legyen.

Ennek méréséhez kombinált szerkesztési és nyomon követési technikákat alkalmaztak. Első lépésként a fehérjéket előállították és megtisztították, hogy aktivitásukat egy kémcsőben végzett vizsgálatban elemezni tudják. Általában egy aktív enzim az I. osztályból katalizálna vagy támogatna egy redox-reakciót, azaz egy olyan kémiai reakciót, amelyben elektronok cserélődnek molekulák között.

A csapat rendszeresen cserélte ki az inaktív II. osztályú fehérje szakaszait a megfelelő aktív I. osztályú fehérjék szakaszaival és fordítva. A két osztály közötti legszembetűnőbb fizikai különbség egy hosszabb hurok az inaktív II. osztályú fehérjékben. Miután a kutatók kivágták a hosszú hurkot, és helyettesítették egy rövidebbel az I. osztályú fehérjéből, megfigyeltek egy enyhén növekvő katalitikus aktivitást. Más mutációkkal kombinálva az II. osztályú fehérje aktivitása fokozatosan nőtt. A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a hosszú hurok úgy működik, mint egy kapcsoló az inaktív II. osztályban, és hogy minden négy mutáció bevezetése szükséges volt ahhoz, hogy az inaktív fehérje teljesen aktívvá váljon. Végül sikerült az inaktív fehérjéket, amelyek általában vas-szulfid klaszterek felismerésére vagy átadására szolgálnak, aktív enzimekké alakítani, amelyek redox-reakciókat katalizálnak, és fordítva.

„A négy területen végzett mutációk együttműködnek, hogy a fehérjét vagy aktív redox-katalizátorrá, vagy vas kötő fehérjévé változtassák” – magyarázta Deponte.

A Szaar-vidéki biokémiai csapat, Bruce Morgan professzor vezetésével, kifejlesztett egy vizsgálatot (assay-t), hogy tesztelje a mutációk jelentőségét élő élesztősejtekben, és megerősítette ugyanazt az eredménymintát – mind a négy mutáció szükséges a két osztály közötti teljes átmenethez. A kutatók egy zöld fluoreszcens szondát használtak, amely megváltoztatja fluoreszcenciáját, amint redox-reakciókat érzékel. A fluoreszcens szonda megváltozott fénye jelezte, hogy a mutáció mennyire teszi lehetővé a fehérje számára, hogy redox-reakciókat katalizáljon a sejtekben.

Eközben a Düsseldorfon dolgozó Holger Gohlke professzor által vezetett csoport molekuláris dinamika szimulációkat végzett szuperszámítógépeken, amelyek szintén alátámasztották és kiegészítették az eredményeket.

Összességében a három vizsgálatsorozat „egy igazán meggyőző képet ad e fehérjék működéséről” – mondta Deponte. „Ezt az eredményt egy német Kutatásfejlesztési Szövetség által támogatott kiemelt program tette lehetővé, amely elősegíti az ilyen típusú együttműködést” – tette hozzá magyarázóan.

A következő lépések között szerepelhet annak vizsgálata, hogy ezek a mutációk hogyan hatnak az emberi sejtekre, vagy hasonló vizsgálati folyamat alkalmazása más fehérjékre. A genetikai szekvenálási technológia fejlődésének köszönhetően ezrek fehérjét sikerült megfejteni, de a tudósok eddig csak alig kezdtek megérteni, hogy ezek a fehérjék mit csinálnak vagy hogyan működnek.

Eredeti publikáció:

M. Deponte et al., „A redox-aktív és inaktív glutaredoxinok közötti szerkezeti különbségek kvantitatív értékelése”, Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-020-15441-3 (2020.04.)