Mutazioni decisive

Rappresentazione schematica delle quattro differenze strutturali determinanti le funzioni tra le glutaredoxine attive e inattive.

Confronto delle quattro differenze strutturali determinanti della funzione tra glutaredoxine attive ed inattive.

Ricercatori tedeschi sono riusciti a individuare le differenze strutturali precise che determinano se una proteina diventa un enzima attivo o una struttura di supporto per ioni di ferro. Questa scoperta, riportata sulla rivista specializzata Nature Communications, offre una comprensione più approfondita dei processi cellulari fondamentali come la sintesi del DNA e il metabolismo del ferro.

Quattro mutazioni in un gruppo di proteine chiamate glutatione reduttasi determinano come le proteine funzionano in diversi organismi, dai batteri, lieviti, piante fino all'uomo, riferiscono i ricercatori sulla rivista Nature Communications.

«Queste proteine sono di fondamentale importanza per vie metaboliche vitali», ha spiegato il professor Marcel Deponte, biochimico che ha guidato la ricerca presso il Politecnico di Kaiserslautern. «Le scoperte riguardanti queste proteine ampliano la nostra comprensione di base di come funziona la vita.»

Esistono due principali classi di proteine glutatione reduttasi. Le glutatione reduttasi di classe I sono enzimi che catalizzano reazioni redox importanti, come ad esempio la sintesi dei composti di partenza del DNA. Le glutatione reduttasi di classe II non sono catalizzatori attivi, ma fungono da trasmettitori e sensori di cluster ferro-solfuro, che svolgono un ruolo importante nel metabolismo del ferro.

Mentre i biochimici conoscono queste due classi da oltre 20 anni, finora non era chiaro quali differenze strutturali fossero responsabili delle diverse funzioni. Marcel Deponte si è unito a ricercatori dell’Università del Saarland e dell’Università Heinrich Heine di Düsseldorf per studiare le proteine in provetta, nelle cellule di lievito e tramite modellazioni computerizzate.

Le strutture di risonanza magnetica nucleare delle proteine hanno evidenziato quattro aree che contenevano differenze o mutazioni tra le sequenze di aminoacidi delle classi I e II. Marcel Deponte e i suoi collaboratori volevano capire esattamente quanto ogni mutazione contribuisse a trasformare la proteina in una glutatione reduttasi cataliticamente attiva di classe I o in una inattiva di classe II.

Per misurarlo, hanno utilizzato una combinazione di tecniche di modifica e tracciamento. Nel primo passo, le proteine sono state prodotte e purificate per analizzare la loro attività in un saggio in provetta. Normalmente, un enzima attivo di classe I catalizzerebbe o supporterebbe una reazione redox, cioè una reazione chimica in cui gli elettroni vengono trasferiti tra molecole.

Il team ha sostituito sistematicamente sezioni della proteina inattiva di classe II con sezioni corrispondenti di proteine attive di classe I e viceversa. La differenza fisica più evidente tra le due classi è una lunga anello presente nelle proteine inattive di classe II. Dopo aver rimosso questa lunga catena e averla sostituita con quella più corta di una proteina di classe I, hanno osservato un leggero aumento dell’attività catalitica. In combinazione con altre mutazioni, l’attività della proteina di classe II è aumentata progressivamente. I ricercatori hanno concluso che la lunga catena agisce come un interruttore nella classe II inattiva e che è necessario introdurre tutte e quattro le mutazioni delle glutatione reduttasi di classe I per trasformare completamente la proteina inattiva in una attiva. Alla fine, sono riusciti a convertire proteine inattive, il cui ruolo è normalmente quello di riconoscere o trasferire cluster ferro-solfuro, in enzimi attivi che catalizzano reazioni redox, e viceversa.

«Le mutazioni in tutte e quattro le aree lavorano insieme per trasformare la proteina in un catalizzatore redox attivo o in una proteina che lega il ferro», ha spiegato Marcel Deponte.

Il team di biochimici del Saarland, guidato dal professor Bruce Morgan, ha sviluppato successivamente un saggio per testare l’importanza delle mutazioni nelle cellule di lievito viventi, confermando lo stesso schema di risultati: tutte e quattro le mutazioni sono necessarie per il passaggio completo tra le due classi. Per queste analisi, i ricercatori hanno usato una sonda fluorescente verde che cambia fluorescenza quando rileva reazioni redox. La luce modificata della sonda fluorescente indicava quanto una mutazione permettesse alla proteina di catalizzare reazioni redox all’interno delle cellule.

Nel frattempo, il gruppo di simulazioni di dinamica molecolare guidato dal professor Holger Gohlke di Düsseldorf ha condotto simulazioni con supercomputer che hanno rafforzato e integrato i risultati.

Complessivamente, le tre serie di studi «offrono un quadro molto convincente di come funzionano queste proteine», afferma Marcel Deponte. «Questo risultato è stato reso possibile grazie a un programma prioritario della Deutsche Forschungsgemeinschaft, che promuove questo tipo di collaborazione», ha aggiunto spiegando.

I prossimi passi potrebbero essere lo studio degli effetti di queste mutazioni sulle cellule umane o l’applicazione di un processo analogo ad altre proteine. Grazie ai progressi nella tecnologia di sequenziamento genetico, sono stati decifrati migliaia di proteine, anche se finora gli scienziati hanno solo iniziato a capire cosa fanno o come funzionano queste proteine.

Pubblicazione originale:

M. Deponte et al., «Valutazione quantitativa delle differenze strutturali determinanti tra glutatione reduttasi attive e inattive», Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-020-15441-3 (04/2020)